降低造紙法再造煙葉煙氣中焦油釋放量的研究

蘇丹丹，張相輝，王小升，關(guān)體青，安 毅*

(1．中煙施偉策(云南)再造煙葉有限公司，云南 玉溪 653100；2. 黑龍江煙草工業(yè)有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150001)

【研究意義】卷煙主流煙氣中的焦油量屬于霍夫曼清單中一種有害化合物[1]，其具有加速血管硬化及致癌等危害，低焦化卷煙是煙草行業(yè)一直以來(lái)的發(fā)展方向。為持續(xù)推進(jìn)卷煙的減害降焦工作，國(guó)家煙草專(zhuān)賣(mài)局不斷調(diào)整卷煙盒標(biāo)焦油最高限量，從2001年的17 mg/支降至2004年的15 mg/支和2011年的12 mg/支， 2013年的11 mg/支和2015年的10 mg/支[2-3]。而造紙法再造煙葉(Paper-making Reconstituted Tobacco, PRT)作為一種重組性煙草原料，因其具有成本低、填充性能好、焦油釋放量低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于卷煙產(chǎn)業(yè)中，成為卷煙產(chǎn)品中不可或缺的一種原料[4]。而隨著細(xì)支卷煙的逐步流行，因其外觀及感官優(yōu)勢(shì)逐漸贏得了廣大女性消費(fèi)者的支持，但細(xì)支煙并非單純的由“粗”變“細(xì)”，其煙支圓周縮小的同時(shí)，也引起了卷煙吸阻增大、焦油釋放量提高等問(wèn)題，2014年國(guó)家煙草專(zhuān)賣(mài)局明確了17 mm左右的細(xì)支煙周長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)以及其焦油含量不得高于8 mg/支的要求。該要求明確了細(xì)支煙的發(fā)展方向?yàn)椤暗徒垢邫n”、“低焦高質(zhì)”以及“低焦高水平”[5]， 尤其是烤煙型細(xì)支煙“低焦化”趨勢(shì)更加明顯，對(duì)其原料再造煙葉的焦油釋放量也提出了更高的要求?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】前人對(duì)于降低卷煙焦油釋放量的研究較多[6-8]，由于再造煙葉本身具有低焦油、高CO釋放量的特點(diǎn)，對(duì)于再造煙葉的減害研究多集中于降低其CO的釋放量方面[9-10]，關(guān)于降低其焦油釋放量的研究則較少?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】文章旨在從再造煙葉可調(diào)的優(yōu)勢(shì)出發(fā)，通過(guò)系統(tǒng)地研究工藝、添加劑、外加纖維等生產(chǎn)條件?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】尋找可有效降低造紙法再造煙葉焦油釋放量的技術(shù)，以擴(kuò)大造紙法再造煙葉的應(yīng)用范圍及其在卷煙產(chǎn)品中的應(yīng)用效果。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

文中所有煙草原料及碳酸鈣等化學(xué)助劑取自于中煙施偉策(云南)再造煙葉有限公司。

實(shí)驗(yàn)儀器：瓦利打漿機(jī)(Jan-25，美國(guó)PTI公司)，抄片機(jī)(FDA，法國(guó)TECHPAP公司)，恒溫恒濕箱(HWS, 上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)，切絲機(jī)(QS-5A，河南省開(kāi)封捷利器材廠)，轉(zhuǎn)盤(pán)式吸煙機(jī)(RM-20H，德國(guó)Borgwaldt公司)，Tescan VEGA3 SBH型掃描電子顯微鏡(捷克Tescan公司)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 提取實(shí)驗(yàn) 在外加纖維為6 %針葉木漿、涂布率為42 %的條件下，按照不同梗葉比例稱(chēng)取一定質(zhì)量的煙梗，按照固液比1∶7加入水，在75 ℃下提取60 min，葉類(lèi)物質(zhì)采用固液比1∶6, 在65 ℃下提取60 min。提取完畢后，用紗網(wǎng)固液分離，液體于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中進(jìn)行濃縮，固體按照1.2.2開(kāi)展。

1.2.2 制漿、抄造實(shí)驗(yàn) 選取梗葉比例為1∶1的煙草原料按照1.2.1的方法進(jìn)行提取、固液分離后，稱(chēng)取漿料的重量，利用梅特勒水分儀快速檢測(cè)其水分，將漿料及適量比例的外加纖維加入到碎漿機(jī)中，添加適量水進(jìn)行磨漿，檢測(cè)打漿度，在漿料中添加適當(dāng)比例的碳酸鈣后抄造得到不同定量的再造煙葉片基。

結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，選取梗葉比例1∶1、外加纖維為6 %針葉木漿、涂布率42 %、定量為35 g/m2條件下，考察不同打漿度值對(duì)PRT焦油釋放量的影響。接著選取梗葉比例1∶1、外加纖維為6 %針葉木漿、打漿度為45oSR、涂布率42 %的條件下，考察不同片基定量對(duì)PRT焦油釋放量的影響。進(jìn)而選取梗葉比例1∶1、打漿度為45oSR、定量55 g/m2、涂布率42 %條件下，外加針葉木漿纖維比例對(duì)PRT焦油釋放量的影響。并在以上考察的基礎(chǔ)上，選取梗葉比例1∶1、外加纖維為6 %針葉木漿、打漿度為45oSR、定量55 g/m2、涂布液中除碳酸鈣外其它物質(zhì)添加比例為38 %條件下，考察不同比例添加碳酸鈣對(duì)PRT焦油釋放量的影響。

1.2.3 涂布實(shí)驗(yàn) 在梗葉比例1∶1、外加纖維為6 %針葉木漿、打漿度為45oSR、定量55 g/m2條件下，制備再造煙葉片基，并按產(chǎn)品配方準(zhǔn)確稱(chēng)取片基，精確至0.001 g，同時(shí)按配方要求配制的不同量的涂布液，涂布后得到不同涂布率的PRT樣品。涂布前先將涂布液加熱至(60±5) ℃，攪拌均勻后進(jìn)行涂布，在溫度(118±1) ℃的恒溫鼓風(fēng)干燥箱中烘干至水分約為11.5 %左右取出，將涂布樣品全部轉(zhuǎn)移至溫度(22±1) ℃、濕度(60±2) %條件下平衡。

1.2.4 煙氣檢測(cè) 將制備好的樣品于22 ℃，60 %RH的恒溫恒濕條件下平衡48 h后，挑選質(zhì)量為(0.85±0.02)g/支的卷煙煙支(40支/組)，按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19609、GB/T23355、GB/T23356及GB/T23203.1進(jìn)行主流煙氣成分和焦油量的檢測(cè)。

1.2.5 再造煙葉的微觀形貌特征觀察 將再造煙葉樣品截取小正方塊形狀，用導(dǎo)電性膠帶固定于樣品臺(tái)上，噴金處理后用掃描電鏡觀察樣品纖維表面形態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)，分別選取不同倍數(shù)的圖片。電鏡的工作電壓20 KV,放大倍數(shù)250～2000倍。

1.2.6 鉀鹽噴涂 在梗葉比例1∶1、外加纖維為6 %針葉木漿、打漿度為45oSR、定量55 g/m2、涂布率42 %條件下，選取檸檬酸鉀和酒石酸鉀2種有代表性的鉀鹽樣品，溶解于水中制備一定濃度的鉀鹽溶液，通過(guò)雙面噴涂方式均勻分布在再造煙葉片狀樣品上，然后切絲平衡后制備煙支樣品。

1.2.7 再造煙葉在卷煙中的摻配 以梗葉比例1∶1、外加纖維為6 %針葉木漿、打漿度為45oSR、定量55 g/m2、涂布率42 %條件下制備的常規(guī)PRT樣品作為參照樣，并以梗葉比例1∶1、外加纖維為10 %針葉木漿、打漿度為25oSR、定量30 g/m2、涂布率42 %條件下制備的PRT樣品作為降焦樣, 比較二者的焦油釋放量。

以市場(chǎng)售賣(mài)的某一卷煙品牌為對(duì)照樣，將上述PRT降焦樣分別按照5 %、10 %、15 %、20 %及50 %的比例添加至卷煙煙絲中，混合均勻后進(jìn)行煙支制樣，篩選煙支重量在(0.85±0.02)g/支。而后置于溫度( 22±1) ℃，濕度(60±1) %恒溫恒濕間中平衡48 h后開(kāi)展煙氣檢測(cè)。

2 結(jié)果與分析

2.1 梗葉比例對(duì)PRT 焦油釋放量的影響

隨著煙梗占比的上升，PRT的焦油釋放量呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，在梗葉比2∶1時(shí)，其焦油和CO釋放量均為最低(圖1)。有研究表明[11-13]，煙梗中的細(xì)胞壁物質(zhì)包含果膠質(zhì)、木質(zhì)素的含量均高于煙葉碎片，而木質(zhì)素和果膠質(zhì)含量的增加，會(huì)造成卷煙主流煙氣中焦油和CO釋放量的增加。因此，當(dāng)原料中增加梗類(lèi)的占比，從全葉變?yōu)楣Ｈ~比1∶1時(shí)，焦油釋放量顯著增加；但進(jìn)一步增加梗類(lèi)的占比，梗葉比為2∶1時(shí)，PRT的焦油釋放量大幅下降，分析原因與片基組織結(jié)構(gòu)有關(guān)，梗類(lèi)物質(zhì)含有較多的長(zhǎng)纖維，其和外加纖維一起構(gòu)成PRT片基的主要框架結(jié)構(gòu)，葉類(lèi)物質(zhì)漿料則填充于其中。當(dāng)梗類(lèi)比例提升時(shí)，其結(jié)構(gòu)趨向于多孔隙的疏松結(jié)構(gòu)，有利于PRT的有氧燃燒，從而降低了有機(jī)質(zhì)和糖類(lèi)物質(zhì)發(fā)生不完全燃燒的機(jī)率，因而降低了焦油釋放量。

2.2 打漿度對(duì)PRT焦油釋放量的影響

隨著打漿度的上升，焦油釋放量逐步上升，對(duì)兩者進(jìn)行線性擬合，可得方程為y=1.995+0.089x(式中，y為焦油量，x為打漿度)，其相關(guān)系數(shù)R2=95.4 %，說(shuō)明二者呈現(xiàn)顯著線性正相關(guān)關(guān)系。分析原因是打漿度上升時(shí)，漿料中的細(xì)小纖維含量上升，形成的PRT片基結(jié)構(gòu)中長(zhǎng)纖維和短纖維結(jié)合，結(jié)構(gòu)變得致密，不利于PRT完全燃燒，從而使得焦油釋放量增加(圖2)。

圖1 梗葉比例對(duì)PRT焦油釋放量的影響

圖2 打漿度對(duì)PRT焦油釋放量的影響

張文軍等[14]研究了打漿度對(duì)PRT物理指標(biāo)及微觀結(jié)構(gòu)的影響，打漿度的增加會(huì)帶來(lái)PRT透氣度和松厚度的下降，同時(shí)微觀結(jié)構(gòu)由疏松變得緊密，孔隙變小。該結(jié)果也可說(shuō)明打漿度帶來(lái)的透氣度和微觀結(jié)構(gòu)的變化，會(huì)導(dǎo)致煙支發(fā)生不完全燃燒，促使焦油釋放量增加。

2.3 片基定量對(duì)PRT焦油釋放量的影響

隨著片基定量的上升，焦油釋放量上升。對(duì)定量與焦油釋放量之間的關(guān)系進(jìn)行線性回歸，可以得到如下回歸方程：y=-1.573+0.1653x(式中：y為PRT的焦油釋放量，x為片基定量)，此回歸方程的相關(guān)系數(shù)R2=99.8 %，可以用于解釋PRT片基定量與PRT焦油釋放量之間正相關(guān)的關(guān)系。由于片基定量低時(shí)，其片基中含有的木質(zhì)素、果膠等含量較低，結(jié)構(gòu)相對(duì)疏松，在一定程度上減少了有機(jī)質(zhì)不完全燃燒的機(jī)率，降低了焦油釋放量(圖3)。

為了進(jìn)一步分析片基定量對(duì)焦油釋放量的影響，使用掃描電鏡對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，從圖4看出，在定量為25 g/m2時(shí)，其纖維直徑多小于25 μm，纖維呈現(xiàn)自然立體狀態(tài)，纖維與纖維間有明顯孔隙結(jié)構(gòu)。隨著定量逐步增大到35和55 g/m2時(shí)，其纖維逐漸扁平化，纖維直徑變寬，纖維與纖維之間結(jié)合致密，無(wú)明顯的孔隙結(jié)構(gòu)。分析原因，在原料組成及打漿度一樣的情況下，相同面積下，抄造高定量的PRT產(chǎn)品需要承載更多的纖維，而纖維之間互相擠壓，由立體趨于扁平，結(jié)構(gòu)更加致密。說(shuō)明低定量的PRT產(chǎn)品結(jié)構(gòu)疏松，更有利于煙支的完全燃燒，有利于降低焦油等有害成分的釋放量。

圖3 片基定量對(duì)PRT焦油釋放量的影響

A：25 g/m2；B：30 g/m2；C：55 g/m2圖4 不同片基定量PRT在1000倍的SEM圖

2.4 涂布率對(duì)PRT焦油釋放量的影響

隨著涂布率的增加，其焦油釋放量呈線性上升趨勢(shì)。對(duì)涂布率和焦油釋放量進(jìn)行線性擬合，得方程為y=1.943+0.07859x,其中y為PRT焦油釋放量，x為涂布率。其線性相關(guān)系數(shù)為98.1 %，由此說(shuō)明PRT焦油釋放量和涂布率呈顯著線性相關(guān)。一般認(rèn)為卷煙主流煙氣中的焦油主要是由于有機(jī)物質(zhì)的不完全燃燒產(chǎn)生的[15]，PRT中的有機(jī)質(zhì)主要來(lái)源于涂布液中，涂布率越高，PRT中涂布液的占比越高，有機(jī)質(zhì)含量也越高，從而導(dǎo)致焦油釋放量越高(圖5)。

2.5 外纖添加比例對(duì)PRT焦油釋放量的影響

外加針葉木漿含量從6 %上升至12 %時(shí)，其焦油釋放量逐漸下降。將PRT的焦油釋放量和外纖添加比例進(jìn)行擬合，得方程y=6.420-0.2550x，式中,y為PRT的焦油釋放量，x為外加針葉木漿比例。該擬合方程的相關(guān)系數(shù)為93.7 %，說(shuō)明PRT焦油釋放量與外纖添加比例呈顯著線性負(fù)相關(guān)。這可能是由于該試驗(yàn)條件下，煙草原料的比例為1∶1，而隨著外加纖維比例的增加，逐步增大了PRT片基中長(zhǎng)纖維的含量，有利于增加PRT的孔隙，使PRT片基的結(jié)構(gòu)趨于疏松。有研究表明[16]，外加纖維比例從18 %上升至22 %時(shí)，PRT的松厚度和填充值逐漸增加。結(jié)合本文2.1中梗葉比例對(duì)PRT焦油釋放量的影響考察試驗(yàn)中，纖維比例的增加，促使梗葉比例從1∶1向2∶1的方向發(fā)展，焦油釋放量隨之下降(圖6)。

圖5 涂布率對(duì)PRT焦油釋放量的影響

2.6 鉀鹽添加比例對(duì)PRT焦油釋放量的影響

研究表明，鉀鹽可以加快卷煙煙支的燃燒速率，降低抽吸期間的燃燒溫度，使焦油量降低[17-19]。但并非所有的鉀鹽對(duì)卷煙都有降焦效果，還與構(gòu)成鉀鹽的酸根離子及有機(jī)鉀含量有關(guān)。從圖7中也可明顯看出，選取的2種常用鉀鹽中，檸檬酸鉀具有明顯的降焦效果，隨著其添加比例的增大，降焦效果愈加明顯。酒石酸鉀在添加比例為1 %時(shí)，有較明顯的降焦效果，但是后續(xù)隨著添加比例的上升，其PRT焦油釋放量反而呈上升趨勢(shì)。

2.7 碳酸鈣用量對(duì)PRT焦油釋放量的影響

隨著碳酸鈣添加比例的上升，PRT的焦油釋放量呈明顯的線性下降趨勢(shì)。該結(jié)果與殷艷飛等[10,20]的研究結(jié)果一致，碳酸鈣是造紙法再造煙葉生產(chǎn)過(guò)程中一種常用且重要的添加劑，其可減少漿料纖維間的氫鍵，提高片基的松厚度，促進(jìn)涂布液的滲透，降低再造煙葉焦油釋放量。但需要注意的是，碳酸鈣因?yàn)槠涠嗫仔?，添加于PRT中會(huì)使其感官質(zhì)量的木質(zhì)氣減少、刺激性降低、舒適度增加、余味變好的同時(shí)，也會(huì)造成香氣量減少、濃度降低等負(fù)面效果。因此，不可為了追求降焦效果而添加過(guò)多的碳酸鈣于PRT中(圖8)。

圖6 外纖添加比例對(duì)PRT焦油釋放量的影響

圖7 鉀鹽添加比例對(duì)PRT焦油釋放量的影響

圖8 碳酸鈣添加比例對(duì)PRT焦油釋放量的影響

2.8 降焦效果驗(yàn)證

2.8.1 因素集成后PRT的降焦效果驗(yàn)證 圖9為常規(guī)PRT參照樣和PRT降焦樣的焦油和CO釋放量對(duì)比圖，從中可以看出，集合了增加纖維添加比例、低打漿度和低定量3種具有降焦效果因素后的PRT降焦樣的焦油釋放量明顯低于常規(guī)PRT參照樣，其焦油釋放量降低了50 %以上，同時(shí)CO釋放量也明顯降低。

2.8.2 PRT摻配于卷煙中的降焦效果 圖10為在梗葉比例1∶1、外加纖維為10 %針葉木漿、打漿度為25oSR、定量30 g/m2、涂布率42 %條件下制備的PRT降焦樣按照不同比例摻配于某一卷煙產(chǎn)品后，卷煙煙支的焦油釋放量變化圖。該P(yáng)RT降焦樣應(yīng)用于卷煙中，可明顯降低卷煙的焦油釋放量，且隨著PRT添加比例的增加，卷煙的焦油釋放量呈直線下降趨勢(shì)。將卷煙的焦油釋放量和PRT添加比例進(jìn)行線性回歸，得方程y=12.01-0.1278x，式中y為卷煙的焦油釋放量，x為PRT降焦樣品的添加比例，該擬合方程的相關(guān)系數(shù)R2為98.5 %，說(shuō)明卷煙的焦油釋放量與PRT降焦樣品的添加比例存在顯著線性相關(guān)，驗(yàn)證集合了降焦因素后制備的PRT應(yīng)用于卷煙中可產(chǎn)生顯著的降焦效果。

圖9 因素集成前后PRT的降焦效果對(duì)比

圖10 不同PRT摻配比例對(duì)卷煙焦油釋放量的影響

3 討 論

關(guān)于降低卷煙的焦油釋放量，是卷煙行業(yè)共同面對(duì)的難題，已有很多學(xué)者開(kāi)展過(guò)相關(guān)研究。由于卷煙燃燒是卷煙焦油釋放的最直接途徑，因此，前期學(xué)者期望以卷煙的燃燒性能作為研究入口，研究煙葉的焦油量與燃燒性能的相關(guān)性，尋找可以降低焦油量的方法[9]。添加劑鉀鹽如檸檬酸鉀、酒石酸鉀等的添加可以加速卷煙燃燒進(jìn)程，提高其燃燒性能，因此許多學(xué)者對(duì)于鉀鹽對(duì)卷煙焦油釋放量的影響也進(jìn)行了相關(guān)研究，證實(shí)了一些鉀鹽添加可以有效降低卷煙的焦油量[7,17-19].也有很多學(xué)者從卷煙輔料如接裝紙等輔料入手，分析接裝紙打孔參數(shù)對(duì)卷煙煙氣中焦油釋放量的影響[8]。隨著再造煙葉的出現(xiàn)和發(fā)展，其作為卷煙中的一種原料，吸煙了很多學(xué)者的關(guān)注。再造煙葉具有多孔性、可調(diào)節(jié)性，焦油釋放量自有優(yōu)勢(shì)，卻面臨著CO釋放量偏高的問(wèn)題，因此許多學(xué)者更多地關(guān)注于如何降低其CO釋放量[9-10]，而對(duì)進(jìn)一步降低其焦油釋放量則較少研究。

再造煙葉制備過(guò)程可調(diào)可控，工藝參數(shù)如打漿度、定量、鉀鹽、碳酸鈣用量對(duì)PRT的焦油釋放量有較大的影響，集成了打漿度、定量和碳酸鈣因素后的PRT樣品的焦油釋放量降低了50 %以上，將其摻配到卷煙中，可使卷煙的焦油釋放量大幅降低。因此，可綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素、工藝條件，在保證PRT感官效果的情況下，適當(dāng)采用這些具有降焦效果的技術(shù)條件來(lái)降低PRT的焦油釋放量，并摻配于卷煙中實(shí)現(xiàn)“減害降焦”這一目標(biāo)。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)再造煙葉整個(gè)制備過(guò)程中的原料、工藝及助劑等影響因素進(jìn)行考察，逐步開(kāi)展降低PRT焦油釋放量的研究。綜合各項(xiàng)結(jié)果，所選擇的考察因素對(duì)再造煙葉的焦油釋放量均有影響，其中以打漿度、定量、外加纖維比例、鉀鹽及碳酸鈣對(duì)造紙法再造煙葉的焦油釋放量的影響更為顯著；原料梗葉比例及涂布率對(duì)造紙法再造煙葉的焦油釋放量也有一定影響，在梗葉比為2∶1時(shí)再造煙葉的焦油釋放量相對(duì)較低，涂布率與焦油釋放量之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系。