卷煙紙技術(shù)研究進(jìn)展

盧昕博　戴　路　張　博　牛芳芳　史春云　吳志宏　焦　陽(yáng)　周?chē)?guó)俊　陶　豐　楊　君，*

(1.浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，浙江杭州， 310024; 2.杭州利群環(huán)保紙業(yè)有限公司，浙江杭州，310018)

卷煙紙(cigarette paper)是一種專(zhuān)供包卷煙草制作香煙的薄頁(yè)型紙，定量25～30 g/m2，白度82%～87%，透氣度30～110 CU，致密、柔軟細(xì)膩，具有較高的縱向抗張強(qiáng)度、一定的透氣性和適合的燃燒速度。卷煙紙的主要原料是木漿，紙面上有羅紋印記(由機(jī)上羅紋輥或機(jī)外干壓輥壓成)，以增加其透氣度和改善外觀。20年前，卷煙紙的作用就是在速度5000～6000 支/min卷煙機(jī)上卷包煙絲，以得到結(jié)實(shí)無(wú)缺的煙支[1]。卷煙紙作為卷煙主要輔料約占煙支總質(zhì)量的5%，盡管比例小，但它對(duì)卷煙整體性的影響卻遠(yuǎn)大于其他非煙草組分，對(duì)卷煙品質(zhì)、燃燒性能、煙氣化學(xué)成分均有較大影響。

自中國(guó)于2003年11月10日正式簽署《煙草控制框架公約》以來(lái)及近些年對(duì)吸煙與健康關(guān)系研究的不斷深入，卷煙降焦減害日益受到人們關(guān)注。自2009年起，國(guó)家煙草專(zhuān)賣(mài)局針對(duì)卷煙降焦減害技術(shù)、增香保潤(rùn)以及新型卷煙等分別制定了5～10年的重大專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃，并圍繞重大專(zhuān)項(xiàng)開(kāi)展研究。卷煙輔助材料“三紙一棒”是卷煙降焦減害重要手段之一，相關(guān)技術(shù)已大量應(yīng)用于卷煙生產(chǎn)。本文主要綜述了近些年科研工作者圍繞煙草行業(yè)重大專(zhuān)項(xiàng)所做的關(guān)于卷煙紙的技術(shù)研究成果，分別從卷煙降焦減害技術(shù)、增香保潤(rùn)、新型煙草制品、燃燒特性以及功能化卷煙紙等方面進(jìn)行闡述，期望對(duì)煙用卷煙紙開(kāi)發(fā)提供新思路，將卷煙紙技術(shù)與煙草行業(yè)未來(lái)研究方向有效結(jié)合。

1　降焦減害

目前，煙草行業(yè)主流的降焦減害技術(shù)是添加再造煙葉和輔材“三紙一棒”設(shè)計(jì)。與接裝紙和成型紙相比，卷煙紙最主要的特點(diǎn)是在卷煙抽吸時(shí)直接參與燃燒。因此，卷煙紙對(duì)卷煙煙氣中主、側(cè)流煙氣以及常規(guī)焦油、CO等多種有害成分釋放量有顯著影響?？蒲泄ぷ髡邚木頍熂埖奈锢硇阅茉O(shè)計(jì)、助燃劑使用及添加其他功能材料等方面對(duì)卷煙紙進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，在降焦減害方面取得了一定的進(jìn)展。

1.1　物理參數(shù)

煙支點(diǎn)燃后需要持續(xù)供給氧氣才能維持燃燒。卷煙抽吸時(shí)，卷煙紙是影響空氣流量的重要因素。卷煙紙物理性能如透氣度、定量等的變化都會(huì)引起燃燒狀態(tài)及燃燒溫度差異，進(jìn)而影響煙氣化學(xué)指標(biāo)。張國(guó)強(qiáng)等[2]研究了卷煙紙的透氣度等參數(shù)對(duì)卷煙主流煙氣中氨釋放量的影響；結(jié)果表明，提高卷煙紙透氣度可在一定程度上選擇性降低卷煙主流煙氣中的粒相物氨釋放量。隨著卷煙紙定量增加[3]，卷煙單口焦油釋放量呈上升趨勢(shì)，卷煙總焦油釋放量、B[a]P和苯酚釋放量呈下降趨勢(shì)，巴豆醛、NH3和HCN的釋放量無(wú)顯著變化。通過(guò)對(duì)卷煙紙進(jìn)行優(yōu)化，可以改善供氧量，進(jìn)而影響CO釋放量。陳澤亮等[4]在研究燃燒過(guò)程中炭化線附近卷煙紙微孔結(jié)構(gòu)變化與主流煙氣CO釋放量之間的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，烘烤后卷煙紙總孔容(特別是0.1～8.0 μm孔徑)越大，CO釋放量越低。炭化線附近卷煙紙微孔數(shù)目增加可使CO擴(kuò)散作用與空氣稀釋作用均增強(qiáng)，使主流煙氣中CO釋放量降低0.7～1.0 mg/支。煙氣中CO含量隨卷煙紙透氣度增大呈線性降低趨勢(shì)[5]；當(dāng)卷煙紙透氣度提高到80 CU后，主流煙氣中CO釋放量下降趨勢(shì)不明顯[6]。

1.2　助燃劑

助燃劑通過(guò)調(diào)節(jié)煙支的燃燒溫度和燃燒狀態(tài)來(lái)影響煙氣有害成分的釋放。助燃劑種類(lèi)及用量會(huì)影響煙氣化學(xué)成分的釋放。彭志光等[7]發(fā)現(xiàn)，CO釋放量與溫度積分顯著相關(guān)。羅彥波等[8]采用偏最小二乘(PLS)回歸法建立了卷煙多因素預(yù)測(cè)模型，發(fā)現(xiàn)主流煙氣中7種有害成分釋放量隨卷煙紙助燃劑含量增加呈降低趨勢(shì)。提高助燃劑含量以及鉀鹽含量比例，可以在一定程度上選擇性降低卷煙主流煙氣中粒相物氨的釋放量[2]。黃朝章等[9]發(fā)現(xiàn)，卷煙紙助燃劑含量變化對(duì)卷煙主流煙氣中7種有害成分釋放量影響最大，其次是助燃劑類(lèi)型的影響，這與鄭琴等[10]的研究結(jié)果一致。尹升福等[11]研究發(fā)現(xiàn)，檸檬酸鉀可促使主流煙氣中CO釋放量顯著降低，而醋酸鋅、醋酸鈣、氯化鈣和氯化鋅可使主流煙氣中CO釋放量顯著增加。連芬燕等[12]研究發(fā)現(xiàn)，CO釋放量隨著助燃劑中鉀/鈉比例升高、卷煙紙定量降低及濾嘴通風(fēng)率增加呈下降趨勢(shì)；但隨著助燃劑用量增加，CO釋放量均呈先下降后緩慢上升趨勢(shì)，在用量為1.5%時(shí)，CO釋放量下降率最高[13]。

1.3　功能材料

有研究人員制備了對(duì)煙氣有害成分具有特異吸附性能或能與有害成分發(fā)生選擇性化學(xué)反應(yīng)的功能材料，并添加到卷煙紙上以達(dá)到選擇性減害目的。聶聰?shù)萚14]將具有較大比表面積的多孔載體如離子交換樹(shù)脂等與不同金屬離子絡(luò)合后得到金屬絡(luò)合材料，并添加到卷煙紙上，使卷煙主流煙氣中有害成分HCN降低13%。鄭屹[15]將從菊花、羅布麻、淡竹葉、迷迭香、黃芪、蒲公英或白花蛇舌草中得到的提取物與檸檬酸鹽和蘋(píng)果酸鹽混合后制得添加劑，并負(fù)載于卷煙紙上，能夠選擇性降低20%～40%巴豆醛、15%～25%酚類(lèi)、15%～30%HCN。侯軼等[16]研究了將Mg(OH)2部分代替CaCO3作為卷煙紙?zhí)盍蠈?duì)卷煙側(cè)流煙氣的影響；研究發(fā)現(xiàn)，Mg(OH)2的添加可降低卷煙紙熱解溫度，從而影響卷煙的燃燒狀態(tài)，側(cè)流煙氣中總粒相物含量下降顯著。

2　增香保潤(rùn)

國(guó)內(nèi)外通常采用通風(fēng)稀釋的手段來(lái)降低卷煙的焦油量以減輕吸煙對(duì)人體的危害，如高透卷煙紙、成型紙的使用，接裝紙的打孔等[17]。但隨著卷煙焦油量的降低，煙味變淡，香氣減弱，卷煙產(chǎn)品等失去原有的風(fēng)格，難以被消費(fèi)者接受。因此，對(duì)卷煙紙的加香技術(shù)得到越來(lái)越多的應(yīng)用，目前主要采用的是微膠囊技術(shù)和提取物涂布技術(shù)。

2.1　微膠囊技術(shù)

微膠囊化(Microencapsulation)是一種用成膜材料將把固體或液體包覆以形成微小粒子的技術(shù)[18]。將高揮發(fā)性的香料通過(guò)微膠囊包覆，可以提高香料的穩(wěn)定性，使其能夠在燃吸狀態(tài)下釋放出香氣成分，起到改進(jìn)卷煙主流煙氣味道與品質(zhì)作用，達(dá)到增香目的。秦艷等[19]優(yōu)化了沉香精油微膠囊制備工藝，加香實(shí)驗(yàn)表明，沉香精油微膠囊能使卷煙具有甜潤(rùn)感，且煙氣柔和細(xì)膩。還有研究人員將膠囊化紅棗香精[20]、分子囊化薄荷腦[21]添加到卷煙紙中進(jìn)行卷煙加香感官評(píng)價(jià)，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)表明，微膠囊化香精香料能有效地掩蓋卷煙雜氣，有效降低卷煙刺激性，并使其具有甜潤(rùn)感，煙氣柔和細(xì)膩，有效地改善了抽吸舒適感。

2.2　提取物涂布

將提取物涂布在卷煙紙上，當(dāng)煙支燃燒時(shí)，卷煙紙上的提取物通過(guò)揮發(fā)、裂解等方式釋放香味成分達(dá)到增香保潤(rùn)目的。何金星等[22]將甲基纖維素、黏合劑、紅景天提取物混合后通過(guò)凹版或柔版印刷工藝將這些混合物印刷在全麻或半麻卷煙紙上，制成含有紅景天提取物的彩色卷煙紙，對(duì)卷煙抽吸具有調(diào)香、提香、諧香等作用。楊紹文等[23]利用煙草提取物、紅茶、橡子果殼、核桃果殼、可可殼的天然提取物制備涂布液，開(kāi)發(fā)出符合市場(chǎng)需求的棕色卷煙紙，并成功應(yīng)用在“玉溪(和諧)”產(chǎn)品上。向能軍等[24]以甘草酸鉀作為改善劑添加到卷煙紙上，其不僅對(duì)卷煙紙具有助燃功效，還能夠減少卷煙紙燃燒產(chǎn)生木質(zhì)氣引起的不舒適性，提升了煙氣香氣質(zhì)和圓潤(rùn)性，改善了吸味。

3　新型煙草制品

新型煙草制品是2014年國(guó)家煙草專(zhuān)賣(mài)局下達(dá)的重大專(zhuān)項(xiàng)，主要包括無(wú)煙氣煙草制品、新型卷煙(加熱不燃燒卷煙)和電子煙。目前，國(guó)際市場(chǎng)上具有代表性的新型卷煙有電加熱型和碳加熱型產(chǎn)品，其特征是不直接燃燒煙支而是通過(guò)加熱煙草材料釋放煙氣，減少了煙草因高溫燃燒裂解產(chǎn)生的有害成分，降低了主流煙氣危害成分的含量。抽吸新型卷煙時(shí)，煙支只加熱不燃燒，因此需要卷煙紙具有較高燃點(diǎn)以避免點(diǎn)燃。目前，關(guān)于加熱器具的研究有一些報(bào)道，但用于加熱非燃燒產(chǎn)品的高燃點(diǎn)卷煙紙技術(shù)基本未見(jiàn)報(bào)道。

楊繼等[26]分析研究了空氣氛圍下典型性碳加熱卷煙“Eclipse”2段卷煙紙的熱解行為；結(jié)果表明，含金屬箔卷煙紙(一段) 在空氣中有3個(gè)質(zhì)量損失階段：212～371℃時(shí)質(zhì)量損失63%為第一階段，350℃時(shí)主要是卷煙紙中的纖維素?zé)岱纸猓?72～479℃時(shí)質(zhì)量損失17% 為第二階段，隨著溫度的升高，纖維素發(fā)生強(qiáng)烈的分解反應(yīng)，產(chǎn)生一些低分子揮發(fā)性產(chǎn)物，這些產(chǎn)物繼而分解成小分子氣體；380～693℃時(shí)質(zhì)量損失5%為第三階段，卷煙紙中的CaCO3熱分解為CaO和CO2。不含金屬箔卷煙紙(二段)的熱行為同樣可分為3個(gè)階段。其在361℃時(shí)比有鋁箔層卷煙紙質(zhì)量損失更快，按熱焓變化和質(zhì)量比例計(jì)算出“Eclipse”卷煙紙(二段無(wú)金屬箔)CaCO3含量約為12%，比第一段卷煙紙的CaCO3含量低。

4　燃燒特性研究

卷煙輔助材料“三紙一棒”中只有卷煙紙直接參與卷煙燃燒，這就要求卷煙紙與煙絲的燃燒速率必須相匹配才能獲得較為理想的燃燒效果。研究發(fā)現(xiàn)[27]，在煙支點(diǎn)燃過(guò)程中，溫度上升到300℃時(shí)，煙絲中揮發(fā)性成分開(kāi)始揮發(fā)而形成煙氣；溫度上升到450℃時(shí)，煙絲開(kāi)始焦化；溫度上升到600℃時(shí)，煙支被點(diǎn)燃開(kāi)始燃燒。煙支燃燒有2種形式：一種是抽吸時(shí)燃燒，稱(chēng)為吸燃；另一種是抽吸間隙的燃燒，稱(chēng)為陰燃(亦稱(chēng)為靜燃)。

4.1　陰燃

陰燃速率作為卷煙紙的一項(xiàng)重要指標(biāo)，其穩(wěn)定性不僅有效地控制了卷煙紙和卷煙煙絲的燃燒匹配度，而且一定程度上影響卷煙陰燃速率、煙氣釋放量及卷煙包灰質(zhì)量。

于龍國(guó)[28]研究發(fā)現(xiàn)，卷煙紙的定量、助燃劑含量、助燃劑種類(lèi)及施加比例等對(duì)其陰燃速率均有不同程度影響。卷煙紙中檸檬酸鈉或檸檬酸鉀助燃劑含量增加，卷煙陰燃速率增大[29]；助燃劑含量相同時(shí)，檸檬酸鉀比例增加，卷煙陰燃速率增大。卷煙紙定量與卷煙紙陰燃速率相關(guān)性R2=0.9921[30]；隨著透氣度和助燃劑含量升高，陰燃速率均有降低趨勢(shì)。王穎[31]重點(diǎn)研究了卷煙紙中有機(jī)酸含量(PN值)對(duì)卷煙紙陰燃速率的影響，當(dāng)PN值小于80時(shí)，隨著PN值的增大，其陰燃速率變??；PN值超過(guò)80時(shí)，隨著PN值的增大，卷煙紙陰燃速率下降不明顯。

4.2　燃燒機(jī)理研究

目前，模擬卷煙燃燒狀態(tài)運(yùn)用較多的分析手段是熱裂解和熱重分析技術(shù)。

熱裂解-氣相色譜質(zhì)譜法(Py-GC/MS)主要用于卷煙紙燃燒產(chǎn)物成分分析。張國(guó)強(qiáng)等[32]采用Py-GC/MS對(duì)8種卷煙紙漿料分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著熱裂解溫度的升高，漿料逐步產(chǎn)生了呋喃類(lèi)、酯類(lèi)、苯酚類(lèi)、茚類(lèi)、烴類(lèi)、苯類(lèi)、稠環(huán)芳烴類(lèi)及吡喃葡萄糖等物質(zhì)；在700℃熱裂解溫度下，2種針葉木漿熱裂解后產(chǎn)生醚類(lèi)物質(zhì)，2種亞麻漿熱裂解產(chǎn)物數(shù)量達(dá)60種以上。針葉木漿、闊葉木漿、麻漿與煙草漿樣纖維的熱解行為反映的主要是纖維素、半纖維素2種組分的熱解，同時(shí)煙草漿料熱解過(guò)程受木素和豐富的溶劑抽提物熱解影響，其與針葉木漿、闊葉木漿及麻漿纖維原料熱失重過(guò)程有明顯差異[33]。闊葉木漿可裂解出3-戊烯- 2-酮、糠醛、2-甲基-苯酚和壬酸等47種產(chǎn)物[34]。麻漿可裂解出3-戊烯- 2-酮、糠醛、2-甲基-苯酚和庚酸等32種產(chǎn)物[35]。木漿卷煙紙與麻漿卷煙紙裂解產(chǎn)物種類(lèi)均為11類(lèi)121種，熱裂解產(chǎn)物中60%為酮類(lèi)和酯類(lèi)；麻漿卷煙紙的熱裂解產(chǎn)物釋放量更為穩(wěn)定[36]。此外，對(duì)添加4種鉀鹽的卷煙紙的研究在一定程度上解釋了卷煙紙助劑降CO、降焦以及對(duì)卷煙吸味影響的原因[37]。

熱重分析(TG)主要用于研究卷煙紙熱解溫度。Zhao等[38]采用TG研究了羧酸鉀作為燃燒促進(jìn)劑對(duì)卷煙紙熱降解動(dòng)力學(xué)和熱性能的影響。卷煙紙熱失重起始溫度及最大質(zhì)量損失速率溫度點(diǎn)與鉀鹽的含鉀量有關(guān)[13]。隨著草酸鉀用量增加，卷煙紙熱解起始溫度降低，在200～300℃時(shí)反應(yīng)活化能降低[39]。卷煙紙中鉀、鈉、鎂和鋅鹽4 種金屬元素能夠降低纖維素?zé)峤饣罨埽渲锈浐外c元素的催化作用較為明顯[40]。

除了熱裂解和熱重分析手段外，研究人員還采用一些新方法來(lái)研究卷煙燃燒機(jī)理。朱文輝等[41]將液相微萃取技術(shù)應(yīng)用于流動(dòng)載氣條件下熱重逸出組分的吸附，設(shè)計(jì)并制造了熱重-流動(dòng)載氣液滴微吸附聯(lián)用裝置，該裝置在復(fù)雜逸出組分分析方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。Zhou等[42]分別采用微尺度燃燒量熱法(micro-scale combustion calorimetry，MCC)和熱重-紅外分析法(TG-FT-IR)研究了卷煙陰燃時(shí)卷煙紙的燃燒特性和熱解行為。Huang等[43]使用PRS- 2卷煙紙陰燃速率測(cè)試儀的視覺(jué)傳感器，通過(guò)先進(jìn)的計(jì)算機(jī)影像制造加工工藝來(lái)確定和鑒別卷煙紙燃燒過(guò)程。謝國(guó)勇等[44]利用改進(jìn)的Rosin-Rammler(R-R)分布模型考察了透氣度40～80 CU的卷煙紙對(duì)卷煙燃吸溫度分布特征的影響。Zhao等[45]利用TGA-FT-IR研究了無(wú)機(jī)和有機(jī)鉀鹽對(duì)卷煙紙熱裂解性的影響。李斌等[46]利用微細(xì)熱電偶對(duì)卷煙燃吸過(guò)程的溫度變化進(jìn)行檢測(cè)，建立了以燃燒錐體積V0、特征溫度Ts和分布參數(shù)N為特征量的卷煙燃吸溫度分布表征方法。

5　功能化卷煙紙

5.1　煙草色卷煙紙

謝益民等[47]以煙梗制備的機(jī)械漿為主要原料(加入少量木漿和麻漿)，同時(shí)添加一定量的填料(CaCO3、TiO2和MgO)，制備了重組煙葉基片，經(jīng)煙草萃取液涂布后制備重組煙葉型雪茄煙紙。安瑞等[48]以煙梗為原料制備的化學(xué)機(jī)械漿(CMP)與少量木漿纖維配抄煙草薄片原紙，通過(guò)優(yōu)化打漿工藝，經(jīng)煙草萃取液涂布后制備煙草薄片型卷煙紙；經(jīng)感官評(píng)價(jià)，與普通雪茄煙紙相比，煙草薄片型卷煙紙具有木質(zhì)雜氣減少，刺激性降低等優(yōu)點(diǎn)[49]，品質(zhì)得到提升。

5.2　低引燃傾向(Low ignition propensity，LIP)卷煙紙

吸煙所引起的火災(zāi)問(wèn)題使得許多國(guó)家紛紛出臺(tái)法律要求卷煙必須用燃點(diǎn)低的紙張卷制，這種卷煙紙要求被置于一些可燃物體表面上時(shí)，不會(huì)引燃這些物體，或者可以自動(dòng)熄滅，但是同時(shí)又不能影響香煙的正常抽吸。

王啟成[50]研究發(fā)現(xiàn)，多糖類(lèi)物質(zhì)具備采用印刷涂布方式生產(chǎn)LIP卷煙紙的條件，滿(mǎn)足工業(yè)化批量生產(chǎn)及產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求。丁麗婷等[51]對(duì)LIP卷煙紙的原紙透氣度、助燃劑含量和阻燃帶擴(kuò)散率進(jìn)行優(yōu)化。黃曉鋼等[52]開(kāi)發(fā)了以一種成膜性好的多糖類(lèi)物質(zhì)以及CaCO3作為涂料的配方，按一定間隔涂布于卷煙紙表面以形成阻燃帶，通過(guò)降低卷煙紙阻燃帶透氣性來(lái)達(dá)到降低卷煙引燃傾向的目的。

6　結(jié)語(yǔ)與展望

卷煙紙雖然僅是整支煙的一小部分，但卻直接影響卷煙燃燒后的煙氣組分。目前，卷煙紙的研究主要集中在降焦減害技術(shù)上，該技術(shù)對(duì)卷煙主流煙氣效果影響非常明顯；同時(shí)還有較多研究集中在利用熱裂解和熱重結(jié)合氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)來(lái)模擬卷煙燃燒分析上。而對(duì)于卷煙紙?jiān)鱿惚?rùn)技術(shù)及新型卷煙適用的高燃點(diǎn)卷煙紙的研究較少。

卷煙紙基本都由木質(zhì)纖維組成，燃燒產(chǎn)生木質(zhì)氣和刺激性。因此，開(kāi)發(fā)煙草本香型卷煙紙，并結(jié)合卷煙葉組配方、煙草潛香物質(zhì)的應(yīng)用，在彰顯卷煙風(fēng)格和個(gè)性化特征方面有重要意義。

新型卷煙則是一個(gè)全新的領(lǐng)域，相關(guān)研究報(bào)道較少，尤其是用于新型卷煙的卷煙紙基本未見(jiàn)報(bào)道，這也是卷煙紙生產(chǎn)的新研發(fā)方向。譬如研發(fā)用于加熱非燃燒煙草制品的卷煙紙，加熱非燃燒煙草制品是將特制煙支置于加熱器具中進(jìn)行加熱。因此，研發(fā)易于傳遞熱量且不易燃燒的高燃點(diǎn)卷煙紙以及加熱過(guò)程中可讓煙氣快速擴(kuò)散出來(lái)的卷煙紙，都是新型卷煙紙未來(lái)重點(diǎn)研究的方向。