造纸法再造烟叶烟气中CO和焦油释放量影响因素研究

殷艳飞，马迅，王保兴，陈岭峰，郝明显，刘晶，向海英，王建，王浩雅

1云南中烟工业有限责任公司技术中心，昆明 650106；

2云南中烟再造烟叶有限责任公司，昆明 650106

造纸法再造烟叶烟气中CO和焦油释放量影响因素研究

殷艳飞1，马迅1，王保兴1，陈岭峰2，郝明显2，刘晶1，向海英1，王建1，王浩雅1

1云南中烟工业有限责任公司技术中心，昆明 650106；

2云南中烟再造烟叶有限责任公司，昆明 650106

为探索影响造纸法再造烟叶CO和焦油释放量的主要因素，考察了不同涂布率与造纸法再造烟叶CO和焦油释放量的相关性，研究了烟梗与碎片比例、片基定量、外加纤维种类、填料种类以及碳酸钙用量对片基CO和焦油释放量的影响。结果表明：（1）CO释放量与涂布率呈负相关，而焦油释放量与涂布率呈正相关；（2）一定范围内，烟梗与碎片比例增加或者使用未漂白的外加纤维都会增加片基CO和焦油释放量，可能是烟梗和未漂白纤维中含有较高的木质素或者果胶；（3）增加碳酸钙用量可使单位质量片基中可燃烧的有机物质减少，降低CO和焦油释放量；（4）降低片基定量或者改善填料种类可以改变片基微观结构，降低片基 CO和焦油释放量。因此，在保证产品品质和加工工艺的前提下，可综合考虑上述方法降低造纸法再造烟叶烟气中CO和焦油含量。

造纸法再造烟叶；CO；焦油

造纸法再造烟叶（以下简称PRT）作为一种重组烟叶，将其添加到卷烟中，不仅可以减少原料消耗，降低卷烟企业成本，而且可以根据卷烟企业需求，改变其物理化学性质，降低有害物质释放量[1-2]。随着低焦油卷烟的发展，造纸法再造烟叶作为减害降焦的重要手段之一，在卷烟中的使用范围和比例不断增加，但是经研究发现，掺配PRT到卷烟后，卷烟烟气中的CO含量通常较高，且随着掺配比例的增加，卷烟烟气的CO与焦油比值也随之增大，因此制约了其在卷烟中的应用比例[3]。

目前，对于PRT自身CO和焦油释放量及如何降低PRT CO释放量的问题研究较少，少数文献[4-6]主要是通过使用蛋白酶或者木质素酶等处理碎片和烟梗原料降低CO。本文在不引入外源性物质的前提下，通过对影响PRT自身CO和焦油释放量的几个重要因素（涂布率、烟梗与碎片比例、片基定量、外加纤维种类、填料种类和碳酸钙用量）进行规律性研究，找出影响PRT CO释放量的关键因素，以期为降低PRT 烟气中CO含量提供理论依据。

1 实验部分

1.1 实验材料

1.2 实验主要仪器

提取器（GDC-TQ，济宁金百特生物机械有限公司），盘磨机（KRK-2500Ⅱ，日本KRK公司），抄片器（FDA，法国TECHPAP公司），瓦利打浆机（TMI72-16-00-0002，美国TMI公司），恒温恒湿箱（KBF720，德国BINDER公司），转盘式吸烟机（RM200，德国Borgwaldt公司），连续流动化学分析仪（德国Seal，AA3型），切丝机（QS-I，郑州中烟科技公司）。

表1 实验材料Tab.1 Experimental materials

1.3 实验方法

1.3.1 备料工艺

取一定质量的烟梗，按照液比1:6（g/mL，下同）加入相应量的水，置于65℃的提取器中提取60 min；碎片按照液比1:8，温度60℃，在相同的提取器中也提取60 min。提取结束后，烟梗和碎片分别过滤，进入高浓盘磨机分别制浆备用。

1.3.2 制浆工艺

首先，根据工艺条件称取一定量的绝干外加纤维，放入疏解器中用80～90℃热水疏解10 min；然后，按比例称取1.3.1中的绝干烟梗浆和碎片浆，将烟梗浆、碎片浆和纤维混合均匀后，按照液比1：8加水并放入65℃旋转蒸发仪中提取30 min，甩干机甩干后，用瓦利打浆机打浆至38±1 °SR。

1.3.3 抄造成形工艺

根据工艺条件不同，加入不同种类及不同比例的填料于1.3.2制备好的浆料中，并加入0.2 %的瓜尔胶作为助剂(填料和助剂添加比例为浆料绝干重的百分比)，在动态抄片器上抄取不同定量要求的片基。工艺流程如图1所示。

图1 PRT片基制作工艺流程图Fig.1 Flow chart of PRT sheet base production

1.3.4 涂布工艺

通过调整A牌号涂布液密度控制样品不同涂布率，采用浸涂方式，将涂布液均匀涂到A牌号片基上，放入105℃烘箱至烘干后，放入恒温恒湿箱平衡备用。涂布率计算公式如下：

式中：

S ——成品涂布率，%；

m1——片基质量，g；

m2——平衡后成品质量，g；

w1——片基含水率，%；

w2——平衡后成品含水率，%。

1.3.5 样品制备

将所制取的PRT片基和不同涂布率PRT成品切丝后置于温度22℃、相对湿度60 %的恒温恒湿箱中平衡48 h，然后根据样品的不同填充性，分别称取不同质量样品，用卷烟打烟器制作成卷烟小样后送云南省烟草化学重点实验室进行常规主流烟气指标分析。

1.3.6 计算方法

常规主流烟气指标中，按照1.3.7检测方法检测数据为每支卷烟的烟气含量，因各不同PRT片基样品和涂布率样品填充值有差异，为使烟支充实，无空头，不同样品间单支卷烟的质量不同，所以文中常规主流烟气数据为检测结果除以成品绝干质量，即单位质量成品的烟气含量。

1.3.7 检测方法

总氮、总糖/还原糖、烟碱、钾、氯分别以烟草行业YC/T161-2002、YC/T 159-2002、YC/T 34-1996、YC/T 173-2003、YC/T 162-2011标准分析方法测定。CO和焦油指标分别按YC/T 30-1996和 GB/T19609-2004方法检测。

2 结果与讨论

2.1 涂布率对PRT CO和焦油释放量的影响

图2为涂布率对PRT 单位质量成品CO和焦油释放量的关系曲线。随着涂布率提高，即单位质量PRT涂布液质量逐渐增加，片基质量相对降低，CO释放量降低，焦油释放量增加。推测CO释放量主要取决于片基的相对质量。对于当前PRT CO释放量较高的问题[7]，可考虑降低片基CO释放量或提高涂布率。

因为烟丝化学成分变化对焦油释放量起决定性作用。前期研究中，对PRT对应片基进行了6项化学成分指标分析，结果如表2，可以看出，除总氮指标外，其余5项化学指标值均很小或者为零，说明PRT成品中这5项化学成分主要来源于涂布液。由此也可以解释焦油释放量随涂布液质量的增加而增加。提高涂布率虽然可以降低PRT CO释放量，但同时也会增加焦油的释放量，所以应在保证抽吸品质的前提下，找到一个最佳CO和焦油释放量比值的涂布率范围。

表2 不同烟梗、碎片比例对PRT片基6项化学成分指标的影响Tab 2 Effects of tobacco stem and scrap ratio on six chemical components of PRT sheet base

2.2 烟梗、碎片比例对PRT片基CO和焦油释放量的影响

图3为外加纤维（漂白针叶木）用量10 %时，烟梗、碎片比例对PRT片基CO和焦油释放量的影响。随着烟梗、碎片比例的降低，片基CO释放量下降，焦油释放量先呈直线下降，趋于平缓后又增加。提取后，烟梗和碎片的主要组成成分为纤维素，半纤维素，木质素和果胶等细胞壁物质。研究表明[8-11]，烤烟烟叶中细胞壁物质含量占26 %～35 %，其中全纤维素含量集中在15 %～25 %之间，果胶质含量集中在6 %～11 %之间，木质素含量集中在1 %～4 %之间，而烟梗中细胞壁物质含量占43 %左右，其中全纤维素含量稍高于烤烟烟叶，果胶质含量在16 %左右，木质素含量集中在5 %～8 %之间。由此可以看出，烟梗中木质素和果胶质含量要显著高于烟叶碎片，这也可能是影响片基CO释放量的主要影响因素。周元清等[6,12]的研究中都表明，降低木质素含量或者果胶质含量，可以降低烟气中的CO含量。

焦油主要是有机质在缺氧条件下不完全燃烧的产物，是众多烃类及烃的氧化物、硫化物及氮化物等极其复杂的混合物[13]。当烟梗比例由25 %降低到0时，焦油释放量反而上升，可能与片基的组织结构有关，由于烟梗中纤维含量要高于碎片，片基成形过程中主要依靠烟梗纤维与外加纤维形成纤维网络结构，碎片浆料填充在形成的网络结构中，当烟梗比例为零时，形成的网络结构较小，片基较致密，不利于充分燃烧，可能导致焦油释放量增加。

图2 涂布率对PRT CO和焦油释放量的影响Fig.2 Effects of coatings coverage rate on carbon monoxide and tar delivery of PRT

图3 烟梗、碎片比例对PRT片基 CO和焦油释放量的影响Fig.3 Effects of tobacco stem and scrap ratio on carbon monoxide and tar delivery of PRT

2.3 定量对PRT片基CO和焦油释放量的影响

图4为烟梗、碎片比例1:1，外加纤维（漂白针叶木）用量8.3 %时，定量对PRT片基CO和焦油释放量的影响。图中可以看出，定量指标从55 g/m2增加到65 g/m2时，片基CO释放量稍有增加，焦油释放量几乎不变；当定量指标从65 g/m2增加到75 g/m2时，CO和焦油释放量都显著增加。在保证产品成形品质和抽吸质量的前提下，为了使CO和焦油释放量维持在一个较低的水平，可以保持片基定量指标在65 g/m2以下。定量较大时，形成的片基较致密[14-16]，透气性较差，可能会引起燃烧不充分而导致CO和焦油释放量增加。

2.4 纤维种类对PRT片基CO和焦油释放量的影响

图5为烟梗、碎片比例1:1，外加纤维用量8.3 %时，不同外加纤维种类对PRT片基CO和焦油释放量的影响。图中可以看出，未漂白阔叶木的CO释放量高于漂白阔叶木，漂白阔叶木CO释放量和未漂白亚麻浆的CO释放量相当，但是高于漂白针叶木。说明同一种类纤维，未漂白浆料的CO释放量要高于漂白浆料，可能是由于未漂白浆料中木质素含量较高。木质素是由聚合的芳香醇构成的一种多环高分子有机物[17-18]，由于其结构复杂，且分子量大，容易引起燃烧不充分，从而产生CO。焦油释放量值可以看出，未漂白阔叶木的焦油释放量也高于漂白阔叶木，说明木质素含量也会影响焦油释放量。此外，不同种类纤维间CO和焦油释放量也都存在差别，一方面可能与浆料中残留的木质素含量有关，另一方面可能与纤维自身结构及打浆，成形等工艺有关。

图4 定量对PRT片基 CO和焦油释放量的影响Fig.4 Effects of grammage on carbon monoxide and tar delivery of PRT sheet base

图5 外加纤维种类对PRT片基 CO和焦油释放量的影响Fig.5 Effects of fibre type on carbon monoxide and tar delivery of PRT sheet base

2.5 填料种类对PRT片基CO和焦油释放量的影响

图6为烟梗、碎片比例1:1，外加纤维（漂白针叶木）用量8.3 %，填料用量20 %，助剂用量0.2 %时，不同填料种类对PRT片基CO和焦油释放量的影响。可以看出，填料为TiO2和SiO2时，焦油和CO释放量都比较高，填料为碳酸钙时，焦油和CO释放量都较低。填料种类不同，焦油和CO释放量的差别较大，推测可能与填料的粒径及结构有关。文中TiO2和SiO2的粒径都小于2 mm，而碳酸钙的粒径大于20 mm，填料留着率相差不大时，粒径较大的颗粒形成的孔隙较多，粒径较小会使片基较致密，如果想通过添加填料降低CO和焦油的释放量还需寻找到一个较适合的填料粒径。

2.6 碳酸钙用量对PRT片基CO和焦油释放量的影响

图7为烟梗、碎片比例1:1，外加纤维（漂白针叶木）用量8.3 %，助剂用量0.2 %时，不同碳酸钙用量对PRT片基CO和焦油释放量的影响。图中可以看出，随着碳酸钙用量的增加，片基CO和焦油释放量几乎成线性降低。对碳酸钙用量与CO释放量之间的关系进行线性回归，可得到如下回归方程：y=-4.1877x+39.82（式中：y为片基CO释放量，x为碳酸钙用量），此回归方程相关系数R2=0.9929，可用于解释碳酸钙用量与片基CO释放量之间的关系。可能是随着碳酸钙用量的增加，单位质量片基中可燃烧的有机物质减少，形成的CO和焦油量也相应减少。此外，王相凡[19]探讨了不同碳酸钙用量对PRT感官质量的影响，结果表明，随着碳酸钙用量的增加，PRT香气量减少、木质气减少、透发性降低、浓度降低、柔细度增加、刺激性降低、舒适度增加、甜度变化不明显、余味变好。说明在保证PRT感官质量的前提下，可以通过适当增加碳酸钙用量的方法降低PRT CO和焦油释放量。

图6 填料种类对PRT片基 CO和焦油释放量的影响Fig.6 Effects of filler type on carbon monoxide and tar delivery of PRT sheet base

图7 碳酸钙用量对PRT片基 CO和焦油释放量的影响Fig.7 Effects of CaCO3 ratio on carbon monoxide and tar delivery of PRT sheet base

3 结论

通过上述涂布率、烟梗与碎片比例、定量、外加纤维种类、填料种类和碳酸钙用量与CO和焦油释放量间关系的研究，可以看出，涂布率和碳酸钙用量对PRT CO和焦油释放量影响较大，在综合考虑经济因素、片基加工性能和产品抽吸品质的前提下，通过在一定范围内调整PRT涂布率、烟梗与碎片比例和片基定量或者优化外加纤维种类、填料种类和比例等方法，可以在降低PRT焦油释放量的同时，降低CO释放量。

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Research on factors that in fluence CO and tar deliveries in paper-making process reconstituted tobacco smoke

YIN Yanfei1,MA Xun1,WANG Baoxing1,CHEN Lingfeng2,HAO Mingxian2,LIU Jing1,XIANG Haiying1,WANG Jian1,WANG Haoya1

1 China Tobacco Yunnan Industrial Co.,Ltd.,Kunming 650106,China;
2 Reconstituted Tobacco Co.,Ltd.,China Tobacco Yunnan Industrial Co.,Ltd.,Kunming 650106,China

Correlation between coating coverage rate and CO and tar delivery in paper-making reconstituted tobacco(PRT)smoke was studied.Effects of stem to scraps ratio,grammage,fibre and filler,content of calcium carbonate on CO and tar delivery were further investigated.Results indicated that:(1)Increasing coatings coverage rate resulted in decreased CO delivery and increased tar delivery;(2)High stem to scraps ratio and unbleached fibre led to a higher CO and tar delivery,which may be due to high content of lignin and pectin in stem and unbleached fibre;(3)Adding calcium carbonate to the sheet base reduced flammable organic matter,thus resulting in lower CO and tar delivery;(4)Decreased grammage or improved filler reduced CO and tar delivery by changing microstructure of sheet base.These methods can be synthetically used to reduce CO and tar delivery in paper-making reconstituted tobacco to ensure product quality and process feasibility.

paper-making process reconstituted tobacco; carbon monoxide(CO); tar

10.3969/j.issn.1004-5708.2014.05.004

TS411 文献标志码：A 文章编号：1004-5708（2014）05-0019-06

云南省科技计划项目“国内外造纸法再造烟叶产品与技术比较”（2010CD145）；国家烟草专卖局重大专项项目“降低再造烟叶CO的关键技术开发及应用研究”（110201201036(ZZ-17)）

殷艳飞(1984－)，硕士，研究实习员，主要从事再造烟叶研究，Email：yingyanfeia@yeah.net

王浩雅(1983－)，助理研究员，主要从事再造烟叶研究，Email:wanghaoya1983@163.com

2013-11-25