功能性添加剂在卷烟纸上应用的研究进展

余振华李姗姗沈靖轩肖维毅

(1.红云红河烟草(集团)有限责任公司,云南昆明,650202; 2.云南瑞升烟草技术(集团)有限公司,云南昆明,650106)

·卷烟纸添加剂·

功能性添加剂在卷烟纸上应用的研究进展

余振华1李姗姗2沈靖轩2肖维毅2

(1.红云红河烟草(集团)有限责任公司,云南昆明,650202; 2.云南瑞升烟草技术(集团)有限公司,云南昆明,650106)

对功能性添加剂在卷烟纸上应用的研究进展进行了阐述,主要包括卷烟纸燃烧调节剂、吸味调节剂和降害型助剂,燃烧调节剂又分为燃烧速率调节剂、燃烧环境调节剂和灰分调节剂。指出应加快功能性添加剂作用效果的机理研究,尽快推进功能性添加剂的开发进程,提高卷烟品牌的市场竞争力。

功能;添加剂;卷烟纸;燃烧;吸味;降害

(＊E-mail:lssanty@126.com)

Abstract:In this paper,the recent research progress in the application of functional additives in cigarette paperwas introduced,mainly including the burning regulator,the regulator for sensory quality and additives of lowering the harmfulness.The burning regulatorwas divided into combustion-supporting reagent,the regulator for burning environment and the regulator for ash.The suggestion of speeding up the research on applicationmechanis m of functional additiveswasproposed.In order to enhance the competence the development and application of functional additives should speed up as quickly as possible.

Key words:function;additives;cigarette paper;burning;sensory quality;lowering the harmfulness

近年来,卷烟生产企业在“加快培育重点骨干品牌,提升卷烟产品结构”的行业背景下,不断进行技术创新,提高品牌的市场竞争力。随着卷烟行业的快速发展及市场竞争越来越激烈,功能性添加剂的研究和使用愈来愈成为改善卷烟品质并提高其市场竞争力的有效途径,具有新功能的卷烟更易于被市场接受,也将拥有更广阔的市场发展空间。烟草制造商青睐于高附加值和高技术含量的产品,卷烟纸添加剂的应用成为赋予卷烟纸高附加值并凸显卷烟纸功能性的重要手段,因其可以更充分、有效地利用烟支燃烧过程中卷烟纸所处的特殊环境,改进烟支的燃烧状态,赋予卷烟产品相应的功能特征。因此,功能性卷烟纸添加剂的研究开发是赋予卷烟纸高技术含量,进而适应卷烟安全、低危害要求的重要技术手段。

卷烟纸处于卷烟燃烧组分的最外围,与空气直接接触,尽管质量约占烟条总质量的5%,但它对卷烟的燃烧速率、通风度、抽吸口数、主(侧)流烟气和灰分等都有较大影响,这些指标都将直接影响到卷烟的降焦、燃烧、包灰效果和卷烟的吸味[1]。按照功能分类,卷烟纸添加剂主要包括:燃烧调节剂、吸味调节剂、降害型助剂等,但应用于卷烟纸中的添加剂并非仅具有单一的功能性,它可同时肩负几种功能,以满足不同卷烟品牌发展的市场需求[1]。

围绕卷烟纸功能性添加剂的研究开发已有大量的文献报道。文中对目前报道的卷烟纸添加剂的相关研究进行了归纳总结,以期为卷烟纸功能性添加剂的开发方向提供思路,进而更加有效地开发功能型卷烟纸产品。

1 燃烧调节剂的研究进展

燃烧调节剂是卷烟纸的主要添加剂,卷烟生产中利用燃烧调节剂来调节燃烧速率进而控制卷烟抽吸口数或改善包灰效果。目前使用的燃烧调节剂主要有助燃剂、燃烧环境调节剂和灰分调节剂,虽然其含量仅为卷烟纸质量的0.5%～3.0%,但其种类和用量将影响卷烟纸的燃烧特性及灰分外部特征。

1.1 燃烧速率调节剂

卷烟纸的燃烧速率与烟丝的燃烧速率必须匹配,若卷烟纸的阴燃速率大于烟丝的阴燃速率,则烟丝爆口不能成灰,若卷烟纸的阴燃速率小于烟丝的阴燃速率,则烟头会缩进卷烟纸内,因缺乏氧气而造成烟支熄灭[2]。因此,通过调节卷烟纸的燃烧速率,使得卷烟燃烧处于一个良好的状态,进而提高卷烟的燃烧品质。

无机助燃剂硝酸钾、硝酸钠在卷烟燃烧的温度范围内可分解释放出氧气,使纤维更好地氧化,从而促进燃烧。但卷烟纸中的碳化物因释放氧气而燃速加快,局部燃烧不完全,灰黑片小,包灰效果差,黑炭圈宽,影响烟支燃后的美观,生产的卷烟纸燃烧时产生的物质对吸烟者的健康也十分有害。有机助燃剂富马酸盐中的阳离子(K+、Na+)对燃烧有加速效应,能把燃烧后的灰片黏结在一起,能达到既完全燃烧,灰片又不散落,使烟支包灰效果好,且黑炭圈窄,无异味,对人体无害[3]。

郑一新等[4]使用高压离子色谱仪对几种国产和进口卷烟纸中的助燃剂进行了测定,发现柠檬酸钾钠盐是其中常用的卷烟纸助燃剂。碱金属盐类能产生白色灰分,并增加静态燃烧速率,如柠檬酸钠和柠檬酸钾的混合物,但焦油量和一氧化碳随柠檬酸盐用量增加而减少。而其他调节剂如磷酸二氢铵只改变灰分外部特征而不改变静态燃烧速率,且焦油和一氧化碳生成量有所增加。研究指出,经化学处理的卷烟纸的热解温度降低,热解时,由于炭线附近的透气度迅速增加,因而氧气扩散至燃烧区时的速率增加。经过碱金属的处理,加快了静燃速率和一氧化碳形成速率,而对于磷酸二氢铵,增加的氧气可能被添加剂的还原产物所消耗,因而对静态燃烧速率影响甚微[5]。

左建等[6]研究了燃烧调节剂为卤化钠和碱金属氯化物的卷烟纸热裂解时的峰值温度与静燃速率的关系,结果表明,峰值温度与静燃速率均随阴离子半径减小或阳离子半径增大而升高。同时提出静燃速率、燃烧温度与燃烧调节剂水溶液有一定关系,但目前还难以预测pH值的微弱变化对卷烟燃烧行为的影响。刘丽敏[7]分析了卷烟纸中助燃剂含量的影响因素,通过控制助燃剂含量,稳定卷烟纸的燃烧速率,从而控制烟气中的焦油量。

王树荣等[8]对氯化钾催化纤维素热裂解动力学进行了研究,实验发现氯化钾的存在影响热失重初始阶段活性纤维素的生成过程,导致热重曲线向低温侧移动,并且提高了焦炭的产率。此实验结果也从机理上较好地解释了使用钾元素可提高卷烟燃烧速率、降低一氧化碳释放量的原因。

可以看出,多数燃烧速率调节剂的研究均是对不同助燃剂种类的应用效果进行总结,并推测其对燃烧速率改变的可能原因,但真正从机理上开展的相关研究较少,因此应加快机理方面的研究,指导产品的开发。

1.2 燃烧环境调节剂

随着世界反吸烟运动的兴起以及消费者对“吸烟与健康”问题的日益关注,人们在卷烟消费过程中将会更加重视自身及周围其他人的健康,不仅关注主流烟气对吸烟者的影响,而且也关注环境烟草烟气对环境空间的污染和危害。卷烟侧流烟气是环境烟草烟气的主要来源,侧流烟气提供了环境烟草烟气60%～85%的粒相物和87%～99%的气相物。

国外20世纪七八十年代就已对香烟燃烧的侧流烟气量进行了研究,有的还申报了发明专利。侧流烟气主要形成于抽吸间隔的阴燃,在卷烟纸裂解过程中,抑制其透气度增加的特性都将降低侧流烟气量。

减少卷烟燃烧侧流烟气量的卷烟纸生产技术,主要是从填料和燃烧调节剂方面进行调整:选择比表面积大的填料,增加焦油等有害粒相物的沉积面积,并借助良好的燃烧调节剂的黏结作用,改善卷烟燃烧的包灰质量,提高包灰的牢固性,阻挡烟气的溢出[9]。国外有研究指出[10],与其他一些设计组分一起使用的氢氧化镁将降低侧流烟气中的焦油量。在卷烟纸中加入氧化镁,再加入一些化学助燃剂,与纸纤维等混合燃烧后有利于烟灰的包裹,阻止气相物逸出并使其冷凝在填料上,使卷烟侧流烟气降低60%以上,而主流烟气不受影响,能有效减轻吸烟对环境的影响。侯轶等[11]研究了卷烟纸中Mg(OH)2-CaCO3加填及其对卷烟烟气的影响。发现阻燃剂氢氧化镁的添加可降低卷烟纸热解温度,从而影响卷烟的燃烧状态,达到降低烟气有害物质的目的,卷烟主流烟气中总粒相物、焦油、烟碱和一氧化碳均会降低,侧流烟气中的总粒相物下降显著。

肖寿松等[12]发明了一种使用无机填料和助燃剂降低卷烟侧流烟气的方法。无机填料包括:碳酸钙、三羟基铝和铝盐化合物、比表面积大的含镁物质,硅的氧化物或硅酸盐或两者的混合物;有机助燃剂指碱金属的羧酸盐:钾、钠的醋酸盐,琥珀酸盐,酒石酸盐,富马酸盐。

英美烟草公司在卷烟纸中添加一种Li、Al或Ca的氢氧化物和甲酸钾,美国雷诺公司在卷烟纸中添加无机矿物质和羧酸盐等成分,可降低50%的侧流烟气,减少对周围环境的污染,并且烟纸不透明度、灰分、透气度都有不同程度改善,但这种环保型卷烟纸定量较高,对卷烟的吸味有一定影响。

从以上文献可以看出,能够从根本上降低卷烟燃烧温度,减少卷烟有害物释放的添加剂对于减少侧流烟气的释放是有利的,同时筛选一些能增加烟灰凝结,减少卷烟纸透气性能的添加剂也将大大改善卷烟燃烧环境。

1.3 灰分调节剂

卷烟纸的包灰效果对于减少吸烟环境的污染、降低侧流烟气扩散、减少被动吸烟者的健康危害、改善卷烟燃烧外观非常重要,也是体现卷烟档次的一个很重要方面,讨论包灰性能可从卷烟燃烧后的灰色、包灰牢固性来分析,影响卷烟纸包灰的因素主要有:灰分含量、助燃剂种类及含量、纸张均一性、纸张的两面差等。当其他因素无法满足卷烟纸较好的包灰性能要求时,选择具有包灰功能的卷烟纸添加剂成为改善卷烟纸包灰效果的重要研究方向,相关研究已有大量报道。日本烟草公司获得一项美国发明专利授权——抑制烟灰分散的卷烟纸[13],该卷烟纸在无需增加助燃添加剂总量的情况下,即可起到明显抑制烟灰分散的作用。梅志恒等[14]开发了一种卷烟纸改良添加剂,主要由高氯酸盐和碱式乳酸铝混合而成,用水溶解后喷涂在现有卷烟纸上,卷烟纸燃烧后纸灰成片状定向弯曲,不易散落,同时可有效改善吸烟者的区域环境。杨伟祖等[15]发明了一种功能型卷烟纸,通过在卷烟纸上添加助燃剂和吸味调整剂,助燃剂包括:碱金属羧酸盐或碱土金属羧酸盐,以及碱金属碳酸盐;吸味调整剂包括:木糖醇或山梨醇或葡萄糖,使用后,烟支的包灰效果明显改善,具有降焦功能,有效改善卷烟燃烧质量,对原有吸味不产生负面影响。

可以看出,灰分调节剂主要是筛选一些耐热熔且结构独特的物质,使之在卷烟燃烧过程中增加灰分的黏连,将添加剂与纸灰构架物质进行合理搭配,使纸灰与烟灰同步收缩,增强持灰能力,保持灰分外形。

以上研究阐述了不同燃烧调节剂对卷烟燃烧速率、烟气指标和烟支外观的影响,同时解释了烟气指标规律性变化的主要原因。燃烧调节剂在调节烟支燃烧速率的同时,改变了烟支的燃烧状态,因而烟气有害物的释放量也发生了改变。

2 吸味调节剂的研究进展

卷烟纸功能性添加剂的应用首先要以至少不影响卷烟原有吸味为前提。所以,任何应用于卷烟纸的功能性添加剂都要在吸味上对烟支不造成负面影响。仅仅为调节卷烟吸味而开发的卷烟纸吸味调节剂产品较少,若功能性添加剂的其他功能性较为突出,但其对烟支的吸味有负面作用时,可采用一些能够满足卷烟纸添加剂添加工艺要求,同时可掩盖该功能性添加剂的负面吸味效果的添加剂进行复配,达到赋予卷烟纸相应功能性的要求。如杨伟祖等[15]发明的功能性添加剂,在有效改善卷烟燃烧质量的同时,对卷烟原有吸味不产生负面影响。

3 降害型助剂的研究进展

从20世纪50年代初,英国皇家医学会首次报道吸烟危害健康至今,吸烟与健康问题一直受到各国政府、烟草行业及医学界的高度重视,卷烟降焦减害始终是烟草工作者的研究主题。

Torikai等[16]认为,烟草燃烧温度每升高10℃,燃烧过程中将多释放出上千种化学物质。如果卷烟在燃烧过程中,温度达不到烟气有害物质的产生范围,或卷烟燃烧的温度相对较低,所提供的能量不足以使烟草分解、裂解产生较小的物质,则在燃烧过程中烟气中的有害物质将大幅度降低,从而减少烟气对人体和环境的危害。

刘志华等[17]研究了柠檬酸钾钠混合盐助燃剂对卷烟主流烟气的影响,认为柠檬酸钾降低主流烟气量比柠檬酸钠效果显著,通过调整两者的比例,可以实现对降低一氧化碳的特殊要求。武怡等[18]发明了一种卷烟纸添加剂,该添加剂主要由有机酸钾盐、金属冠醚络合物和有机金属盐按不同比例组成,既能有效地降低烟气焦油含量,又能使卷烟保持原香吃味。

多数卷烟纸燃烧调节剂因为改变了烟支的燃烧状态,对卷烟烟气的有害成分释放量均有一定的改变。添加钾盐能使有机物热解初始温度比未加钾盐时有所降低,同时使冷凝在燃烧区后端的部分总粒相物不能完全气化,烟草高温燃烧中的许多热解、合成反应将不能发生[19-20]。

潘泉利等[21]研究了添加氧化镁和氢氧化镁的卷烟纸的开始分解温度和纸张在最大分解处的温度,表明添加该类物质后会提高卷烟纸的开始分解温度,且卷烟纸能在较低温度下发生最大分解,因此卷烟燃烧所产生的有害气体也会相应地减少[22]。

在卷烟纸中添加生物吸附剂或催化剂也是降低吸烟产生有害物的研究方向。如宝鸡烟厂推出的“新型生物特种卷烟纸”主要是利用生物活性保健因子,减少侧流烟气有害成分,减少刺激性,从而有效地降低吸烟对环境的污染和对吸烟者的危害,在改善卷烟吸味的同时,保持烟纸抗拉强度和高透气度,形成不散不脱的柱形烟灰,侧流烟气小[23]。

随着国内卷烟市场的逐步放开,中式卷烟与国际卷烟的竞争力日益激烈,“低害”卷烟消费成为将来可以预见的主流消费,“降焦减害”成了国际卷烟技术的发展方向,也是发展中式卷烟的必然要求。卷烟烟气7种有害成分(一氧化碳、氢氰酸、氨、NNK、苯并[a]芘、苯酚、巴豆醛)释放量可有效表征卷烟主流烟气生物危害性,选择性降低7种有害成分是实现进一步降焦减害工作的技术关键,围绕降低7项有害成分的卷烟纸功能性添加剂的研究尚未有报道,通过卷烟纸降害型助剂的使用来实现卷烟7种有害成分的有效降低是今后卷烟纸降害型助剂开发的新方向。

4 结 语

尽管目前围绕卷烟纸功能性添加剂开展了大量的研究,并报道一些添加剂产品的应用效果明显,但一些功能性添加剂尚停留在实验室的小试研发阶段,就卷烟生产企业对卷烟产品的发展要求而言,真正能广泛应用于卷烟品牌并产生较好效益的产品并不多见。同时,一些应用效果较好的添加剂虽然实现了应用,但其产生功能效果的机理并未被充分了解,缺乏系统的理论支撑,对于进一步挖掘功能性添加剂的应用效果,推动卷烟产品的发展无疑是不利的。因此,卷烟纸功能性添加剂的研究开发尚需要综合多学科的知识,开拓思路,深入研究卷烟纸功能性添加剂的作用机理,从机理着手,将对添加剂的筛选进行方向性指导,必将有利于产品的开发进程,大大提高卷烟纸品质和卷烟品牌的市场竞争力。

[1] 胡 群,等.卷烟辅料研究[M].昆明:云南科技出版社,2001.

[2] 杨占军.卷烟纸燃烧性能的影响因素[J].湖北造纸,2005 (4):11.

[3] 韩庆斌.卷烟纸中助燃剂对烟支包灰的影响[J].烟草科技, 1992(4):2.

[4] 郑一新,朱 岩.几种卷烟盘纸中添加剂的分析[J].中国烟草学报,1992(2):70.

[5] Owen W C,ReynoldsM L.The diffusion of gases through cigarette paper during s moking[J].Tob.Sci.,1967,(11):14.

[6] 左 建,王殷辅.卷烟纸用填料和添加剂的研究[J].西南造纸, 2002,31(3):4.

[7] 刘丽敏.卷烟纸中助燃剂含量的控制[J].黑龙江造纸,2005,33 (3):56.

[8] 王树荣,廖艳芬,骆仲泱,等.氯化钾催化纤维素热裂解动力学研究.[J].太阳能学报,2005,26(4):452.

[9] 赵 宏.卷烟纸对卷烟燃烧性能的影响[J].黑龙江造纸,2006, 34(2):42.

[10] DixitA S,Martin R H,OwensW F.(1991)Cigarette paperproperties that influence sidestream s moke delivery[C]//45thTob.Chem. Res.Conf..Asheville,NC,1991.

[11] 侯 轶,刘明友,徐程程.卷烟纸中Mg(OH)2-CaCO3加填及其对卷烟烟气的影响[J].中国造纸,2007,26(7):8.

[12] 肖寿松,刘建福,金 勇,等.烤烟型低侧流烟气卷烟以及降低卷烟侧流烟气的方法:CN,1255309A[P].2000-06-07.

[13] Tanaka Yasuo,Nagao Atsushi.Cigarette wrapper paper with suppressed scattering of ash:US,6830053[P].2004.

[14] 梅志恒,王宏雁.卷烟纸添加剂及其制备方法:CN, 200510017978.X[P].2005-09-08.

[15] 杨伟祖,于鲁渝,倪 军,等.一种功能型卷烟纸:CN, 1429946A[P].2003-07-16.

[16] Torikai K,Uwano Y,Nakamori T,et al.Study on tobacco components involved in the pyrolytic generation of selected smoke constituents[J].Food and Chemical Toxicology,2005,43(4):559.

[17] 刘志华,崔 凌,缪明明,等.柠檬酸钾钠混合盐助燃剂对卷烟主流烟气的影响[J].烟草科技,2008(12):10.

[18] 武 怡,曾晓鹰,张天栋,等.卷烟纸添加剂:CN,1324968A [P].2001-12-05.

[19] 谢兰英,刘 淇,吴名剑,等.卷烟纸降低卷烟烟气有害成分的研究进展[J].烟草科技,2008(4):33.

[20] 邵 霁.卷烟纸对卷烟降低焦油的作用和影响[J].浙江造纸, 2007,31(1):13.

[21] 潘泉利,徐程程,刘明友,等.无机镁盐对卷烟纸燃烧性能影响的研究[J].造纸科学与技术,2006(4):25.

[22] Baldry P J,Cullis C F,Goring D,et al.The combustion of Cigarette Paper[M].London,1988.

[23] 郑新章,张仕华,邱纪青.卷烟降焦减害技术研究进展[J].烟草科技,2003(11):25.

(责任编辑:孙秋菊)

Research Progress in the Application of Functional Additives in C igarette Paper

YU Zhen-hua1L I Shan-shan2,＊SHEN Jing-xuan2X IAO Wei-yi2

(1.Hongyun Honghe Tobacco(Group)Co.,Ltd.,Kunm ing,Yunnan Province,650202; 2.Yunnan Reascend Technology(Group)Co.,Ltd.,Kunm ing,Yunnan Province,650106)

余振华先生,工程师;主要从事烟用材料应用及产品开发研究工作。

TS761.2

A

0254-508X(2010)02-0057-04

2009-08-31(修改稿)