卷煙紙組分和羅紋對(duì)卷煙主流煙氣常規(guī)成分的影響

黃朝章 張國(guó)強(qiáng) 黃勝翰 龔安達(dá) 李華杰張廷貴 黃華發(fā) 張建平 錢(qián)繼春

（1.福建中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，福建廈門(mén)，361022；2.龍巖煙草工業(yè)有限責(zé)任公司，福建龍巖，364000）

卷煙紙作為卷煙生產(chǎn)的基本輔材，盡管所占比例很小，但它對(duì)卷煙的燃燒速率、通風(fēng)度、抽吸口數(shù)、主（側(cè)）流煙氣和灰分等都有較大影響，這些指標(biāo)都直接影響到卷煙的煙氣成分、燃燒、包灰效果和卷煙的吸味[1-3]。許多科研工作者都致力于卷煙紙對(duì)卷煙質(zhì)量的影響研究，但絕大部分側(cè)重于考察卷煙紙物理參數(shù)變化（如透氣度、定量、灰分等指標(biāo)）對(duì)卷煙質(zhì)量的影響，極少涉及到卷煙紙?zhí)盍吓浞胶土_紋設(shè)計(jì)變化產(chǎn)生的影響。近年來(lái)，一些學(xué)者開(kāi)始對(duì)卷煙紙的纖維[4-8]、填料[9]、助劑[10-15]進(jìn)行了摸索，但是缺乏系統(tǒng)研究。因此，本研究擬從碳酸鈣性狀及用量、助燃劑類(lèi)型、助留劑用量、羅紋類(lèi)型等方面探討卷煙紙?zhí)匦詤?shù)對(duì)卷煙常規(guī)煙氣成分的影響，旨為卷煙生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量控制提供新的思路。

1 材料與方法

1.1 卷煙樣品制備

卷煙紙由杭州華豐紙業(yè)有限公司制備；濾棒由龍巖煙草工業(yè)有限責(zé)任公司制備。采用同一配方的卷煙煙絲、同一參數(shù)接裝紙（不打孔）和濾棒、同樣加工工藝參數(shù)以及同一卷煙設(shè)備，按照每次只變化一個(gè)卷煙紙?jiān)O(shè)計(jì)因素、其他輔材設(shè)計(jì)參數(shù)固定的原則，在龍巖煙草工業(yè)有限責(zé)任公司完成卷煙樣品的制備。其中，卷煙紙透氣度設(shè)為60 CU，定量設(shè)為30 g/m2；碳酸鈣為輕質(zhì)碳酸鈣；助燃劑為檸檬酸鉀（除助燃劑類(lèi)型實(shí)驗(yàn)外），助燃劑含量設(shè)定為0.9%（以鉀計(jì)）；實(shí)驗(yàn)卷煙紙樣品信息如表1 所示。其他輔材設(shè)計(jì)參數(shù)：成型紙透氣度6000 CU、接裝紙透氣度0、絲束規(guī)格為3.0 Y/35000、濾棒長(zhǎng)度為144 mm、濾棒吸阻為4200 Pa、增塑劑施加量為9.0%。試制卷煙煙支長(zhǎng)度為84 mm、圓周為24.1 mm、煙支質(zhì)量為0.89 g。

表1 卷煙紙樣品信息

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

RM200全自動(dòng)吸煙機(jī)（德國(guó)Borgwaldt公司）；非散射紅外分析儀（與全自動(dòng)吸煙機(jī)配套）；KBF720恒溫恒濕箱（德國(guó)Binder公司）；SSL1數(shù)控圓周震蕩搖床（英國(guó)Stuart公司）；6890氣相色譜儀（美國(guó)安捷倫公司）。

1.3 分析方法

依據(jù)GB/T 19609—2004《卷煙用常規(guī)分析用吸煙機(jī)測(cè)定總粒相物和焦油》對(duì)卷煙樣品氣相中的總粒相物和焦油進(jìn)行測(cè)定；依據(jù)GB/T 23356—2009《卷煙煙氣氣相中一氧化碳的測(cè)定非散射紅外法》對(duì)卷煙煙氣氣相中的一氧化碳進(jìn)行測(cè)定；依據(jù)YC/T156—2001《卷煙總粒相物中煙堿的測(cè)定氣相色譜法》對(duì)卷煙煙氣氣相中的煙堿進(jìn)行測(cè)定；依據(jù)YC/T157—2001《卷煙總粒相物中水分的測(cè)定氣相色譜法》對(duì)卷煙煙氣氣相中的水分進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 碳酸鈣變化對(duì)卷煙主流煙氣常規(guī)成分的影響

碳酸鈣是卷煙紙中第二大組分，應(yīng)用于卷煙紙中可有效提高卷煙紙的透氣度、不透明度、白度，改善燃燒性能，同時(shí)也影響著卷煙紙羅紋的清晰程度；其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響著成紙質(zhì)量，進(jìn)而影響卷煙燃燒時(shí)主流煙氣常規(guī)成分的釋放量[16]。實(shí)驗(yàn)考察了不同碳酸鈣形態(tài)、碳酸鈣粒徑和碳酸鈣用量對(duì)卷煙主流煙氣常規(guī)成分的影響情況，結(jié)果如圖1 所示。從圖1 可以看出，①碳酸鈣形態(tài)對(duì)主流煙氣常規(guī)成分有一定影響，與固態(tài)碳酸鈣卷煙紙相比，采用液態(tài)碳酸鈣卷煙紙的卷煙樣品煙氣中焦油、煙堿、水分和CO 分別降低0.2、0.05、0.04 和0.1 mg/支。②碳酸鈣粒徑對(duì)主流煙氣常規(guī)成分影響較小，采用大粒徑碳酸鈣可降低主流煙氣中焦油和CO 0.1 mg/支左右。③碳酸鈣用量對(duì)焦油、水分和CO 的影響規(guī)律一致，采用高用量的碳酸鈣一定程度上可以降低主流煙氣中的焦油、水分和CO釋放量，降低范圍為0.1～0.4 mg/支。

碳酸鈣在卷煙紙中的用量一般為26.0%～36.0%，目前，固態(tài)碳酸鈣和液態(tài)碳酸鈣在國(guó)內(nèi)各卷煙紙廠(chǎng)均有使用。其中固態(tài)碳酸鈣運(yùn)輸成本低；而液態(tài)碳酸鈣由于沒(méi)有經(jīng)過(guò)干燥工序、機(jī)械摩擦和撞擊，充分保留了自然形成的晶型，其形態(tài)和大小更趨于一致，因此成紙更加柔軟、松厚、燃燒性能提高[16]；有助于氣相物的擴(kuò)散和降低卷煙抽吸口數(shù)，因此相應(yīng)卷煙主流煙氣常規(guī)成分的釋放量下降。大粒徑碳酸鈣的比表面積較小，在紙中形成的自然孔隙大，有利于提高氣相物和粒相物的擴(kuò)散；小粒徑碳酸鈣的比表面積較大，覆蓋能力強(qiáng)，容易阻塞自然孔隙，不利于煙氣成分的擴(kuò)散[8]。卷煙紙中碳酸鈣用量增大，會(huì)增加炭化線(xiàn)附近卷煙紙微孔的孔容，使完全裂解區(qū)域與未完全裂解區(qū)域內(nèi)卷煙紙的微孔數(shù)目均明顯增多，因此可促進(jìn)主流煙氣常規(guī)成分向側(cè)流煙氣中擴(kuò)散[17]。

圖1 碳酸鈣變化對(duì)主流煙氣常規(guī)成分的影響

2.2 羅紋變化對(duì)卷煙主流煙氣常規(guī)成分的影響

卷煙紙羅紋參數(shù)包括了羅紋形式、羅紋深淺和壓紋方式。常見(jiàn)的卷煙紙羅紋形式主要有縱向紋（豎羅紋）和橫向紋（橫羅紋），還有斜紋、波浪紋、寬羅紋等；羅紋深淺是雕印機(jī)在卷煙紙表面所壓印痕凹凸程度的立體表現(xiàn)，卷煙紙羅紋的深度已由淺羅紋逐步發(fā)展成為中等深度羅紋、深羅紋和超深羅紋；壓紋方式分為正面壓紋和反面壓紋兩種，正面壓紋是紙幅的正面接觸絲紋輥，而反面壓紋是紙幅的反面接觸絲紋輥。實(shí)驗(yàn)考察了不同羅紋形式、羅紋深淺和壓紋方式對(duì)卷煙主流煙氣常規(guī)成分的影響情況，結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，①羅紋形式對(duì)卷煙煙氣中的焦油、煙堿和CO 是有一定影響；采用豎羅紋卷煙紙，焦油、煙堿和CO 較高，采用無(wú)羅紋卷煙紙，焦油、煙堿和CO 較低，其中二者CO 的差異達(dá)到8.7%；煙氣水分基本不變。②羅紋深淺對(duì)卷煙煙氣中的焦油、水分和CO 是有一定影響，與深羅紋卷煙紙相比，采用淺羅紋卷煙紙的卷煙煙氣中的焦油、水分和CO 分別降低2.5%、7.6%和5.8%。③羅紋深淺對(duì)卷煙煙氣中的焦油和CO 有小幅影響；采用正壓的卷煙紙，煙氣中的焦油和CO較低。

卷煙紙的羅紋是通過(guò)機(jī)械作用使紙面形成清晰、美觀的細(xì)條紋。在卷煙紙生產(chǎn)過(guò)程中，卷煙紙的羅紋參數(shù)設(shè)置不同，卷煙紙受到壓紋輥的壓力不同，卷煙紙厚度或緊度等方面會(huì)發(fā)生改變。因此，在卷煙燃燒時(shí)煙氣透過(guò)卷煙紙與空氣進(jìn)行交換過(guò)程中路徑會(huì)發(fā)生改變，緊度小時(shí)，煙氣透過(guò)卷煙紙可能走直線(xiàn)；而緊度大時(shí)，煙氣透過(guò)卷煙紙可能走曲線(xiàn)。所以造成煙氣擴(kuò)散及時(shí)性有差異，最終造成卷煙主流煙氣常規(guī)成分釋放量存在差異。采用無(wú)羅紋卷煙紙/淺羅紋卷煙紙/正壓羅紋卷煙紙，煙氣中焦油和CO 較低，可能是因?yàn)?種類(lèi)型卷煙紙表面經(jīng)過(guò)機(jī)械擠壓強(qiáng)度低，紙張中的自然空隙保留較多，有利于煙氣成分的擴(kuò)散，因此相應(yīng)的卷煙煙氣氣相物和粒相物釋放量較低。

2.3 助燃劑類(lèi)型對(duì)卷煙主流煙氣常規(guī)成分的影響

檸檬酸鹽、蘋(píng)果酸鹽、乳酸鹽和酒石酸鹽是卷煙紙企業(yè)常用的助燃劑，不同的卷煙紙助劑的助燃效果各異，因此會(huì)對(duì)煙氣有害成分釋放量產(chǎn)生影響。比較了4種鉀鹽型卷煙紙?zhí)砑觿?duì)煙氣有害成分釋放量的影響，結(jié)果如圖3 所示。從圖3 可以看出，①卷煙紙助燃劑酸根種類(lèi)對(duì)卷煙常規(guī)煙氣成分有影響，其中對(duì)水分和CO 的釋放量有較顯著影響。②卷煙紙助燃劑酸根種類(lèi)對(duì)焦油、煙堿、水分和CO 的影響規(guī)律不一致；相比常用的檸檬酸卷煙紙，蘋(píng)果酸卷煙紙的焦油、煙堿和CO 上升；酒石酸卷煙紙的焦油、煙堿、水分和CO 下降；乳酸卷煙紙的水分下降，但其他指標(biāo)相當(dāng)。

助燃劑主要是改變卷煙紙的燃燒性能，不僅影響卷煙紙的擴(kuò)散率[18]，對(duì)卷煙的燃燒速率也有影響[19]，不同助燃劑的酸根種類(lèi)、陽(yáng)離子種類(lèi)、含量變化都會(huì)對(duì)卷煙的煙氣成分釋放量造成較大影響，進(jìn)而影響到卷煙的感官質(zhì)量。

2.4 助留劑用量對(duì)卷煙主流煙氣常規(guī)成分的影響

圖2 羅紋變化對(duì)主流煙氣常規(guī)成分的影響

圖3 助燃劑類(lèi)型對(duì)主流煙氣常規(guī)成分的影響

由于卷煙紙的厚度較小，需要加入一定量的助留劑和增強(qiáng)劑，以減少纖維、填料的流失并提高成紙強(qiáng)度。本實(shí)驗(yàn)采用瓜爾膠作為助留劑，比較了兩種助留劑用量（0.5%和0.8%）對(duì)卷煙主流煙氣常規(guī)成分釋放量的影響，結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，助留劑用量對(duì)主流煙氣常規(guī)成分無(wú)明顯影響，兩種助留劑用量下，焦油、煙堿、水分和CO 的釋放量偏差＜4%。卷煙紙助留劑主要是起到助留、助濾和增強(qiáng)效果，本試驗(yàn)采用的助留劑瓜爾膠是碳水化合物，其化學(xué)組分為聚半乳糖甘露糖，不會(huì)改變卷煙燃燒狀態(tài)；且其占卷煙紙成品的含量低，自身熱解產(chǎn)物對(duì)煙氣成分的貢獻(xiàn)度極小。因此在考察的范圍內(nèi)，瓜爾膠用量對(duì)煙氣常規(guī)成分無(wú)影響。

表2 卷煙紙助留劑用量對(duì)卷煙主流煙氣常規(guī)成分的影響

3 結(jié) 論

本研究制備了8 種不同參數(shù)卷煙紙并制成卷煙，考察卷煙紙中的碳酸鈣參數(shù)、羅紋參數(shù)和助劑參數(shù)對(duì)卷煙主流煙氣常規(guī)成分的影響。

3.1 采用液態(tài)碳酸鈣、大粒徑碳酸鈣、高用量的碳酸鈣有利于降低卷煙常規(guī)煙氣中的焦油和CO，煙氣焦油和CO降低量為0.1～0.4 mg/支。

3.2 采用無(wú)羅紋、淺羅紋和正壓羅紋的卷煙紙，均有助于降低卷煙常規(guī)煙氣中的焦油和CO，其中CO降幅最高可達(dá)8.7%。

3.3 使用酒石酸鉀作為助燃劑的卷煙紙，卷煙常規(guī)煙氣中焦油和CO 較低；助留劑含量對(duì)卷煙主流煙氣常規(guī)成分無(wú)顯著影響。