造紙法再造煙葉的研究進(jìn)展

張溪 劉皓月 惠嵐峰 劉忠

（天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津科技大學(xué)造紙學(xué)院，天津 300457）

再造煙葉生產(chǎn)工藝是一項(xiàng)充分利用天然煙草原料的技術(shù)。對(duì)于煙草收獲和卷煙生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的煙草碎片、煙梗、煙末等廢棄物，借助紙張生產(chǎn)技術(shù)制成外形類似紙張的片基，再經(jīng)涂布、干燥、切絲等工藝獲得與天然煙葉口感一致的煙絲，填充到卷煙中。再造煙葉的生產(chǎn)方法主要有三種[1]：輥壓法、稠漿法和造紙法。其中，輥壓法和稠漿法利用物理原理[2]，將適量的煙梗、煙葉等植物纖維與各類助劑混合均勻后，借助外力碾壓或采用金屬帶加熱方式脫水干燥，制得煙草片基。雖能在一定程度上減少焦油釋放量，但再造煙葉成品仍存在一系列問題[3]：薄片加工性能差，化學(xué)成分不易調(diào)整，不能滿足卷煙的多樣性要求。

造紙法再造煙葉可通過工藝調(diào)整改變煙草薄片的化學(xué)組成，減少焦油、一氧化碳、苯酚等有害物質(zhì)的產(chǎn)生，提高煙制品的抽吸口感和安全性能同時(shí)又可以降低生產(chǎn)成本，節(jié)約用料[4]。本文對(duì)造紙法再造煙葉的加工工藝和相關(guān)檢測(cè)手段進(jìn)行了歸納總結(jié)，并展望了造紙法再造煙葉的應(yīng)用前景。

圖1 造紙法再造煙葉兩步法（改良）流程圖

1 造紙法再造煙葉加工工藝

造紙法再造煙葉加工工藝分為一步法和兩步法[5]，由于一步法流程中煙草固液不分開處理，不易控制，現(xiàn)在企業(yè)大多采用兩步法[6]，其流程如圖1所示。預(yù)先去除煙草原料中的雜屑，用熱水浸漬，經(jīng)萃取工藝將原料進(jìn)行組分分離，得到煙草固體和煙草萃取液。煙草固體通過加入木漿纖維、填料、助劑等配漿，洗滌，干燥，抄造成煙草薄片片基。煙草萃取液通常加入糖類、酸和天然香料或美拉德反應(yīng)產(chǎn)物，從而降低煙氣刺激性，增加煙葉香味。將萃取液精制濃縮，配制成涂布液，用于涂布已成形的煙草薄片片基，干燥、切絲后充填于卷煙中。整個(gè)過程的主要工藝包括煙草漿料預(yù)處理、萃取濃縮、配漿抄造、涂布干燥等。

1.1 煙草漿料處理工藝

為了提高后續(xù)萃取工藝的萃取率及再造煙葉的質(zhì)量，防止木素?zé)峤猱a(chǎn)生苯酚等有害物質(zhì)危害人體健康，通常先對(duì)煙梗進(jìn)行一些預(yù)處理，去除煙梗中木素，便于纖維素疏解及后續(xù)工藝進(jìn)行。安瑞等[7]發(fā)現(xiàn)，白腐菌的粗酶處理液對(duì)煙草盤磨機(jī)械漿中的木素有一定的降解功能。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用15 IU/g的粗酶混合液處理煙葉漿3 h，能夠使木素的降解率達(dá)到33.48%，木素含量的降低可以大幅度減少再造煙葉雜氣的釋放，改善煙草化學(xué)性能。侯軼等[8]探究熱水、3%乙醇水溶液和堿性離子液體三種溶劑對(duì)煙草中木素去除率、后續(xù)工藝及卷煙成品質(zhì)量的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與熱水和乙醇溶液相比，堿性離子液體更有助于降低木素含量，去除率最佳可達(dá)22.63%。對(duì)后續(xù)工藝和再造煙葉質(zhì)量而言，再造煙葉的抗張強(qiáng)度、松厚度都有大幅度提高，并可以減少原料消耗，使再造煙葉質(zhì)量得以改善。范運(yùn)濤等[9]采取脲堿法，用尿素和堿化合物對(duì)固體煙草煙梗進(jìn)行處理，通過正交實(shí)驗(yàn)得出最佳處理?xiàng)l件：用1.0%尿素和0.5%氫氧化鈣，在30℃下處理30 d，這種處理促進(jìn)了木素和大分子物質(zhì)降解，使纖維素更易疏解，在一定程度上提供氮源和堿性環(huán)境，為后續(xù)發(fā)生美拉德反應(yīng)提供了條件。

1.2 煙草萃取工藝

煙草原料的萃取工藝通常以水為萃取介質(zhì)。劉麗等[10]對(duì)萃取時(shí)間、萃取溫度和液料比三個(gè)因素進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬，通過響應(yīng)曲面的方法獲得萃取參數(shù)（萃取時(shí)間、萃取溫度、液料比），確立最優(yōu)萃取率公式，經(jīng)檢驗(yàn)誤差不超過0.6%。黃思敏等[11]分別檢測(cè)提取溫度、提取時(shí)間以及料液比對(duì)煙草中化學(xué)成分提取率的影響，并改進(jìn)生產(chǎn)流程，將煙葉、煙梗二級(jí)提取液混合洗漿改進(jìn)為煙梗、煙葉二級(jí)提取后分別洗漿后再混合成漿，經(jīng)過不同原料實(shí)驗(yàn)后，指出影響再造煙葉化學(xué)成分萃取率的主要因素是料液比，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的原料中水溶性糖、總植物堿和鉀的萃取率都有大幅度提高。由于一些大分子物質(zhì)不溶于水，當(dāng)以水為萃取劑時(shí)，這些物質(zhì)的溶出率極低，導(dǎo)致最后的再造煙葉產(chǎn)品雜氣太多，質(zhì)量欠佳。吳亦集等[12]在萃取過程中加入一種復(fù)合酶試劑（含有半纖維素酶、果膠酶、蛋白酶），發(fā)現(xiàn)不溶于水的有害大分子物質(zhì)得到有效酶解，萃取率提高。

1.3 煙草萃取液濃縮加香

卷煙產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中為了減少雜氣，提高煙香，形成企業(yè)產(chǎn)品特色，通常采用加香技術(shù)。其中，由氨基化合物與羰基化合物形成的美拉德反應(yīng)被普遍使用[13]，在煙草加香技術(shù)中的應(yīng)用研究受到廣泛關(guān)注。此反應(yīng)可以產(chǎn)生與煙草自身氣味相似的香氣，使卷煙生產(chǎn)過程在減少焦油釋放量、降低吸煙發(fā)病率的同時(shí)，不會(huì)使產(chǎn)品的煙味不足、失去其特征香氣或產(chǎn)生雜氣。高徐梅等[14]利用葡萄糖與脯氨酸進(jìn)行美拉德反應(yīng)，根據(jù)反應(yīng)時(shí)間、溶液pH、糖氨摩爾比和丙二醇所占溶液比例這四個(gè)實(shí)驗(yàn)條件控制反應(yīng)速度和反應(yīng)程度，最后得出：在pH為6，丙二醇用量＜30%（占溶液總質(zhì)量）時(shí)，糖氨比例1∶1，反應(yīng)時(shí)間3 h后可獲得最佳產(chǎn)物。經(jīng)對(duì)比評(píng)吸實(shí)驗(yàn)和GC-MS分析發(fā)現(xiàn)，此條件下的產(chǎn)物對(duì)再造煙葉的增香效果最好。李元實(shí)等[15]利用多種氨基酸混合物與葡萄糖發(fā)生美拉德反應(yīng)，降低白肋煙燃燒時(shí)產(chǎn)生的木質(zhì)雜氣，提高卷煙香氣。通過產(chǎn)物評(píng)吸實(shí)驗(yàn)，異亮氨酸、脯氨酸、纈氨酸混合物的反應(yīng)產(chǎn)物好于脯氨酸、纈氨酸混合物，其對(duì)改善煙味刺激和提高卷煙口感有明顯的效果。閆亞明等[16]利用酶制劑對(duì)煙草原料中產(chǎn)生雜氣的難溶大分子物質(zhì)如蛋白質(zhì)、果膠等先進(jìn)行酶解，使其酶解成可溶性小分子，與萃取濃縮之后人工加入的氨類物質(zhì)發(fā)生美拉德反應(yīng)，進(jìn)而更大幅度地提高煙草香味。

1.4 煙草配漿抄造工藝

再造煙葉生產(chǎn)中常加入一定量的填料，改善煙草片基的物理性能和使用品質(zhì)，替代部分價(jià)格較高的植物纖維，降低成本。填料多為碳酸鈣（輕質(zhì)鈣和重質(zhì)鈣）、硅藻土等[17]。然而，填料留著率偏低一直是再造煙葉生產(chǎn)中無法避免的問題。目前，提高填料留著率的方式多是借助于助留劑的使用。王亮等[18]為了提高填料在紙機(jī)上網(wǎng)時(shí)的留著率，加入殼聚糖作為助留劑，在殼聚糖總添加量為0.1%時(shí)，片基灰分含量隨著殼聚糖用量的而增加，單程留著率出現(xiàn)上升趨勢(shì)，且殼聚糖用量為0.03%，填料留著最好。陳冬海等[19]利用瓜爾膠及其接枝共聚衍生物作為填料助留劑，當(dāng)共聚衍生物用量為0.08%時(shí)，填料留著率提高到88.5%。

填料含量的增加阻礙了纖維間的氫鍵結(jié)合，導(dǎo)致片基強(qiáng)度下降，給紙基運(yùn)行帶來極大地挑戰(zhàn)。為此，通常在煙草片基生產(chǎn)中加入木漿或增強(qiáng)劑。曾健等[20]在抄造煙草片基過程中加入木漿，發(fā)現(xiàn)隨著木漿含量的增加發(fā)生變化，煙草片基抗張指數(shù)提高2倍，撕裂指數(shù)提高10倍。廖夏林等[21]在抄造過程中加入用量0.2%（占漿料絕干）的羧甲基纖維素后，煙草片基抗張強(qiáng)度增幅達(dá)到43.2%。

1.5 煙草薄片涂布干燥工藝

涂布是將煙草片基與涂布液重新組合的過程，決定了再造煙葉質(zhì)量。目前普遍采用的是浸漬涂布法[22]，其中壓榨壓力、涂布濃度、涂布車速是影響涂布效果的關(guān)鍵因素。廖夏林等[23]探究壓榨壓力對(duì)煙草片基效果的影響，實(shí)驗(yàn)表明，隨著壓榨壓力的增大，煙草片基松厚度、表面粗糙度和涂布率均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，片基層間結(jié)構(gòu)越來越緊密。曹銘等[24]在涂布液中加入300～400目的煙粉，可提高涂布液的均勻性，對(duì)再造煙葉評(píng)吸性能、填充品質(zhì)都有一定程度的改善。惠建權(quán)等[25]通過對(duì)不同涂布率產(chǎn)品的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，在涂布率為50%～70%時(shí)，再造煙葉的鉀、氯含量在指標(biāo)要求范圍內(nèi)隨涂布率增加而增加；在涂布率為45%～65%時(shí)，再造煙葉的定量與厚度有所增加；由此綜合考慮，在保證再造煙葉性能的前提下，涂布率控制在55%～65%為宜。

2 再造煙葉檢測(cè)技術(shù)

由于我國造紙法再造煙葉生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展時(shí)間較短，工藝技術(shù)還有待提高，相關(guān)產(chǎn)品的檢測(cè)方法[26]皆源于造紙行業(yè)。再造煙葉產(chǎn)品的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)[27]目前多采用YC/T 16.3—2003《再造煙葉 第3部分：造紙法》，包含物理指標(biāo)檢測(cè)和化學(xué)指標(biāo)檢測(cè)兩種[28]。其物理檢測(cè)指標(biāo)為：定量 105±10 g/m2，厚度 0.22±0.02 mm，抗張強(qiáng)度≤1.00 kN/m，填充值≥5.0 cm3/g，水分10.0%～13.0%，耐水性>5 min。其化學(xué)檢測(cè)指標(biāo)為：總糖含量8%±1%，水溶性糖含量11.5%±1.5%，硝酸鹽含量≤0.40%，煙堿含量0.70%±0.1%，總植物堿含量0.75%±0.15%，氯含量≤0.8%，鉀含量≥2.0%或2.5%，灰分含量17.17%～21.99%，所有物質(zhì)含量都相比于再造煙葉質(zhì)量。

2.1 再造煙葉物理指標(biāo)測(cè)定

2.1.1 片基含水量檢測(cè)方法

我國造紙法再造煙葉的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)均要求將成品的水分波動(dòng)范圍嚴(yán)格控制在±0.5%以內(nèi)。再造煙葉的水分檢測(cè)方法多采用紅外測(cè)量技術(shù)。馬翔等[29]通過傅里葉變換紅外光譜儀對(duì)制絲線上的煙草進(jìn)行光譜采集，可定性分析再造煙葉中的水分、總糖和總氮。邱曄等[30]引進(jìn)冶金領(lǐng)域中的微波諧振微擾水分測(cè)試技術(shù)，檢測(cè)效率高，對(duì)產(chǎn)品無損害，測(cè)量誤差小于0.4%。

2.1.2 再造煙葉片基涂布率測(cè)定

涂布液是由煙草萃取液加添加劑、香料組成的，對(duì)再造煙葉的評(píng)吸性能，填充性能及煙氣釋放都有重要影響，因此涂布率是極為重要的技術(shù)檢測(cè)指標(biāo)。涂布率通常指涂布到煙草片基上的物質(zhì)質(zhì)量占片基總質(zhì)量的百分比，煙葉片基吸收能力越好，涂布率越高。測(cè)定[31]分為在線測(cè)定和離線測(cè)定兩種，通常卷煙企業(yè)采用離線測(cè)定[32]，利用索式抽提器提取再造煙葉，料液比為1∶30，循環(huán)10次，測(cè)定造紙法再造煙葉基片水溶性成分的提取率，最終涂布率計(jì)算公式為再造煙葉成品水溶性成分提取率與再造煙葉片基水溶性成分提取率的差值，模擬計(jì)算誤差在5%以下。

2.1.3 再造煙葉片基定量檢測(cè)

再造煙葉的定量分析與造紙行業(yè)中紙張定量相似，指煙草單位面積的質(zhì)量，單位是g/m2。根據(jù)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)（YC/T 16.3—2003《再造煙葉 第3部分：造紙法》），要求再造煙葉定量應(yīng)小于等于110 g/m2。測(cè)定方法也采用造紙行業(yè)對(duì)紙和紙板的定量測(cè)試方法，測(cè)定5片面積為100 cm2的正方形或圓形試樣的質(zhì)量。但再造煙葉經(jīng)過最后切片工序后，普遍產(chǎn)品尺寸小，形狀不規(guī)則，因此改進(jìn)測(cè)量方法[33]，采用打孔器隨機(jī)對(duì)再造煙葉片打孔收集10～20片小圓片進(jìn)行定量測(cè)定，要求結(jié)果誤差小于5%。

2.1.4 再造煙葉抗張強(qiáng)度檢測(cè)

再造煙葉的抗張強(qiáng)度測(cè)定方法和標(biāo)準(zhǔn)使用紙和紙板抗張強(qiáng)度的測(cè)定方法[34]，即在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)條件下（溫度23℃，相對(duì)濕度50%），單位寬度的樣品在斷裂前所能承受的最大張力，以kN/m為單位。為了便于后續(xù)工藝進(jìn)行，要控制再造煙葉的抗張強(qiáng)度在一個(gè)合適的范圍之內(nèi)，過高過低都不利于涂布、干燥、切片操作。由于切片后再造煙葉尺寸偏小，一般用儀器測(cè)定時(shí)，未切片樣品裁取200 mm×15 mm的長條10條，或者已經(jīng)切片樣品裁取40 mm×15 mm的長條30條，鹿洪亮等[35]得出相比夾距100 mm傳統(tǒng)測(cè)定方法，零夾距（低于0.4 mm）測(cè)定方法更適合測(cè)定煙葉指標(biāo)。

2.1.5 再造煙葉成品耐破度檢測(cè)

再造煙葉耐破度的測(cè)定類比于造紙行業(yè)中瓦楞紙耐破度的測(cè)定，單位kPa。再造煙葉表面不比紙光滑，厚度比紙大，因而在測(cè)定時(shí)最佳測(cè)定層數(shù)為4張[30]。

2.2 再造煙葉化學(xué)煙氣測(cè)定

標(biāo)準(zhǔn)YC/T 16.3—2003《再造煙葉第3部分：造紙法》中規(guī)定再造煙葉主流煙氣中焦油量≤9.0 mg/支，CO釋放量≤16 mg/支。畢淑峰等[36]在對(duì)比不同種類煙葉煙氣實(shí)驗(yàn)中按國家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定煙葉化學(xué)煙氣，將煙葉切至寬0.8 mm絲狀，卷制成長70 mm、圓周24.5 mm的煙支，在一定條件下（溫度22±1℃，相對(duì)濕度60%±2%）平衡 48 h，選取平均質(zhì)量 0.90±0.05 g、平均吸阻900±150 Pa的煙支作為符合標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定的樣品。常用樣品測(cè)定儀器為吸煙機(jī)、紫外-可見分光光度儀及紅外線卷煙一氧化碳分析儀。

3 總結(jié)與展望

在提高煙草原料使用率及降焦減害等方面，造紙法再造煙葉比輥壓法和稠漿法更有優(yōu)勢(shì)。造紙法再造煙葉與天然煙草相比，口感品質(zhì)不相上下，甚至可以根據(jù)企業(yè)需求改變煙草中化學(xué)組成，從而獲得獨(dú)特香氣。但在加工技術(shù)中，還存一些技術(shù)機(jī)理比較復(fù)雜的問題，作用條件苛刻，還僅存在于實(shí)驗(yàn)研究階段，并沒有運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中。隨著研究的深入和優(yōu)化，可以進(jìn)一步提高再造煙葉的綜合性能，簡化反應(yīng)條件，提高再造煙葉的使用比例，提高資源利用率。

我國造紙法再造煙葉的研究雖然較其他國家開展的晚，但發(fā)展迅速，早期制定的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)在某些方面已不適合現(xiàn)在的研究和生產(chǎn)。由于再造煙葉與紙張?jiān)谝欢ǔ潭壬洗嬖诓町?，因此造紙行業(yè)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于再造煙葉性能的檢測(cè)與分析并不完全適用。隨著造紙法再造煙葉技術(shù)的不斷完善和改進(jìn)，其對(duì)應(yīng)的相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)方法也應(yīng)該與時(shí)俱進(jìn)。