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)一直以來的發(fā)展方向。為持續(xù)推進(jìn)卷煙的減害降焦工作，國家煙草專賣局不斷調(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，也引起了卷煙吸阻增大、焦油釋放量提高等問題，2014年國家煙草專賣局明確了17 mm左右的細(xì)支煙周長標(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”趨勢更加明顯，對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)勢出發(fā)，通過系統(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PTI公司)，抄片機(jī)(FDA，法國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，河南省開封捷利器材廠)，轉(zhuǎn)盤式吸煙機(jī)(RM-20H，德國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，稱取漿料的重量，利用梅特勒水分儀快速檢測其水分，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)確稱取片基，精確至0.001 g，同時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 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。

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。

以市場售賣的某一卷煙品牌為對照樣，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后開展煙氣檢測。

2 結(jié)果與分析

2.1 梗葉比例對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，在梗葉比2∶1時，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)原料中增加梗類的占比，從全葉變?yōu)楣Ｈ~比1∶1時，焦油釋放量顯著增加；但進(jìn)一步增加梗類的占比，梗葉比為2∶1時，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)，梗類物質(zhì)含有較多的長纖維，其和外加纖維一起構(gòu)成PRT片基的主要框架結(jié)構(gòu)，葉類物質(zhì)漿料則填充于其中。當(dāng)梗類比例提升時，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，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PRT焦油釋放量的影響

圖2 打漿度對PRT焦油釋放量的影響

張文軍等[14]研究了打漿度對PRT物理指標(biāo)及微觀結(jié)構(gòu)的影響，打漿度的增加會帶來PRT透氣度和松厚度的下降，同時微觀結(jié)構(gòu)由疏松變得緊密，孔隙變小。該結(jié)果也可說明打漿度帶來的透氣度和微觀結(jié)構(gòu)的變化，會導(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，其片基中含有的木質(zhì)素、果膠等含量較低，結(jié)構(gòu)相對疏松，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焦油釋放量的影響，使用掃描電鏡對其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，從圖4看出，在定量為25 g/m2時，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，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。對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PRT焦油釋放量的影響

外加針葉木漿含量從6 %上升至12 %時，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，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PRT焦油釋放量的影響

2.6 鉀鹽添加比例對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，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。

2.7 碳酸鈣用量對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。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，也會造成香氣量減少、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多的碳酸鈣于PRT中(圖8)。

圖6 外纖添加比例對PRT焦油釋放量的影響

圖7 鉀鹽添加比例對PRT焦油釋放量的影響

圖8 碳酸鈣添加比例對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。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的降焦效果對比

圖10 不同PRT摻配比例對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)共同面對的難題，已有很多學(xué)者開展過相關(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)者對于鉀鹽對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，卻面臨著CO釋放量偏高的問題，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]，而對進(jìn)一步降低其焦油釋放量則較少研究。

再造煙葉制備過程可調(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

通過對再造煙葉整個制備過程中的原料、工藝及助劑等影響因素進(jìn)行考察，逐步開展降低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時再造煙葉的焦油釋放量相對較低，涂布率與焦油釋放量之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系。