烟叶加工工艺过程中的降焦减害技术研究

凌 军，杜 宇，张天栋，陈 兴，杨乾栩，蔡 波，周 博

随着吸烟与健康研究的深入，提高吸烟的安全性已逐渐成为烟草行业能否继续生存与发展的共同目标。围绕提高卷烟安全性的目标，国内外研究者开展了大量的卷烟降焦减害技术研究，如改进卷烟纸透气度、新型滤棒、减害添加剂、打孔稀释、膨胀烟丝或梗丝及掺用烟草薄片等技术，这些降焦减害技术的研究和应用在一定程度上降低了卷烟有害成分的释放量，提升了卷烟的安全性。在卷烟在线加工减害技术研究方面，研究的焦点集中在烟叶调制、打叶复烤、醇化、制丝等工艺环节，上述的每个加工工艺环节均使烟叶经历多次的温湿度循环变化，这对烟叶的物理结构及内在化学成分都产生了巨大的影响，从而也影响其燃烧后的有害物质释放量。因此，如何通过烟叶加工工艺过程的技术改进及工艺参数优化，来保障烟叶或烟丝感官品质的同时，有效降低烟叶或烟丝有害成分释放量成为烟叶加工工艺研究中的热点和重点。本研究将从烟叶调制、打叶复烤及醇化、制丝工艺3个重点加工工艺环节，综述近年来国内外相关的工艺降焦、减害研究工作，为烟叶加工工艺降焦减害研究工作的深入开展提供一些参考。

1　烟叶调制减害技术

烟叶调制是烟草生产的关键技术环节之一，开展烟叶调制工艺技术研究，进一步优化烟叶调制工艺过程，将有助于实现烟叶在调制过程中的减害降焦。在烟叶调制过程中，围绕降低烟叶有害物质释放量的研究主要是改变烘烤方式及烘烤温度优化方面。

在烘烤方式改进方面，雷诺士烟草公司研究人员系统地研究了明火烘烤与热交换烘烤方式对烟叶中特有的亚硝铵（TSNA）含量的影响，认为烟叶明火烘烤中所用的液化石油气等燃料燃烧后产生氮氧化合物（NOx）是烤烟TSNA前体物亚硝酸产生的主要来源，将直接烘烤变为热交换式烘烤，可以将TSNA含量降低近 80%［1］。 Williams［2］的研究则认为烟草植物在调制周期中受到微波或较高频波的辐射处理后，与传统的调制烟叶比，其已知的致癌的NNN和NNK的含量几乎可以忽略不计。魏玉玲等［3］研究也认为经微波处理的烟叶NNN含量低于0.15μg／g，甚至低于 0.05 μg／g；NNK 含量低于 0.002 μg／g，甚至低于 0.000 5 μg／g。Remer［4］研究表明，烟叶经过紫外线辐射或超声波辐射处理，焦油量降低。

烘烤温湿度优化方面，李常军等［5］认为高温或低湿的变黄条件都导致硝酸还原酶的存活时间缩短，减少了硝酸盐向亚硝酸盐的转化。张树堂等［6］的研究也认同这一观点。川渝中烟工业有限责任公司［7，8］研究了烘烤温湿度与氨及苯并芘释放量的关系，研究表明，适当选择烘烤温湿度能有效降低烟叶燃烧后的焦油、氨及苯并芘等有害成分释放量。另外，万里兴［9］在烟叶烘烤变黄以后，采用液氮冷冻干燥技术把烟叶温度降低到－28℃，使烟叶细胞水分结冰，然后通过冰升华实现烟叶干燥，所得烟叶体积增大，填充能力提高，燃烧性增强，从而大大减少烟叶燃烧过程焦油的生成量。

2　打叶复烤及醇化减害技术

打叶复烤及醇化是将调制后的初烤烟叶由农业等级转变为工业等级的重要加工工艺过程。打叶复烤及醇化过程中，温湿度等环境条件的剧烈变化，均可能影响烟叶内在化学成分尤其是一些有害物质或其前体物质的转化，从而影响烟叶在燃烧过程中的部分有害物质的释放量［10－12］。在打叶复烤过程中，不同工序对烟叶燃烧后有害成分释放量影响大小各不相同，而影响较大的主要是一润、二润及复烤环节。杨杰等［13］考察了烟片复烤、一次润叶、二次润叶工序对卷烟主流烟气主要酚类物质的影响。川渝中烟工业有限责任公司［14］在一润、二润工序后增加热风润叶工序，在保持卷烟风格的前提下，可以有效降低烟气中苯酚释放量。王鹏等［15］研究表明，一润和烟片复烤两个工序对不同等级烟叶氨和一氧化碳的释放量影响更加明显。红云红河烟草（集团）有限责任公司［16］根据加工烟叶部位，调节热、湿蒸汽阀，分别控制一润烟叶的温度和含水率，有效降低了卷烟烟气中NH3释放量，降低幅度为30%以上。陈昆燕等［17］研究了打叶复烤各工序卷烟主流烟气氢氰酸、苯并［a］芘和巴豆醛释放量，认为一润工序较处理前大幅度提高了上部烟叶氢氰酸释放量；二润工序与一润工序相比，下部烟叶苯并［a］芘释放量降低 9.36%；复烤工序与二润工序相比，下部烟叶巴豆醛释放量降低14.96%，中部烟叶苯并［a］芘释放量降低 17.29%。因此，通过控制和优化一润、二润及复烤环节的加工工艺条件，可以有效控制部分有害物质释放量。

在复烤片烟的醇化阶段，研究者主要通过改变烟叶醇化环境及添加醇化剂的方式，一方面提升烟叶醇化后的品质，另一方面降低有害物质及其前体物质的含量。改变烟叶醇化环境方面，Brenik等［18］发现在烟叶醇化过程中通入氧气含量超过25%的空气方式来控制烟叶发酵的环境，在与对照时间相同的情况下，采用该方式能够有效降低烟碱含量、减少凝聚物含量及有害物质残留。在添加醇化剂方面，主要是通过添加含一些特定微生物或酶制剂的料液作为醇化剂，依靠微生物及酶制剂的代谢或降解作用，达到降低有害物质或其前体物质含量的目的。Ruan等［19］筛选获得能够有效降解烟碱的细菌（Pseudomonas sp.HF－1），能用于烟叶醇化。张晓兵等［20］认为加料复烤再放置3～6个月，感官质量得到改善，且大多数加料烟叶样品焦油及烟碱的下降幅度明显大于未加料样品。川渝中烟工业有限责任公司［21］在复烤后的烟叶中添加一种生物制剂水溶液作为醇化剂，在烟叶醇化过程中可以有效提高烟叶原料中氨的降解与转化，降低了卷烟烟气中氨释放量。谢勇［22］制备了一种复合酶制剂，在打叶复烤二润添加复合酶制剂，经过2个月的醇化后，使烟叶烟气焦油降低5.1%、烟碱降低28%。从现有研究结果来看，醇化的环境因素在烟叶醇化过程中起重要作用，尤其对于一些区域环境特性较为突出的烟区，如中国的云南省，如能对不同醇化条件、存放位置等做进一步的研究，将为提升烟叶醇化技术奠定良好的基础［23］。

3　制丝工艺减害技术

烟叶制丝工艺过程分为叶片预处理及切叶烘丝工段，在预处理及切叶烘丝工段中，松散回潮、切丝烘丝工段的切丝工序、叶丝膨胀及烘丝工序、储丝时间等工艺过程对烟丝内在化学成分有较大的影响，从而影响叶丝燃烧后有害物质释放量。因此，烟叶制丝工艺过程中各重点工序参数优化及膨胀技术改进成为制丝工艺过程中控制烟丝有害成分释放量的重要手段［24－27］。

在制丝工艺参数优化方面，工艺研究人员主要考察了重点工序参数及其组合优化对卷烟主流烟气7种成分释放量的影响，对开展卷烟制丝工艺减害工作具有很好的参考价值［28，29］。 唐士军等［30］、陈昆燕等［31］、薛芳等［32］研究了微波松散、松散回潮、切叶丝、叶丝干燥4个重点工序对主流烟气中巴豆醛、苯酚和CO释放量的影响，通过优化HT＋烘丝工序工艺参数组合，使主流烟气中苯酚释放量较正常产品降低19.90%。 Xue 等［33］研究微波松散工艺参数的优化应用，有效降低了主流烟气中7种成分CO、HCN、NNK、NH3、B［a］P、苯酚、巴豆醛的释放量。 邱玉春等［34］研究了切丝宽度对卷烟主流烟气中7种Hoffmann成分释放量的影响，在考察的切丝宽度范围内，随着切丝宽度的增加，烟气中CO、HCN和苯酚逐渐下降，NH3逐步上升，NNK 和 B［a］P先上升后下降，兼顾卷烟品质和卷烟减害，最佳切丝宽度为0.95 mm。 林艳等［35］研究也表明，适当增加切丝宽度有利于降低主流烟气中CO的释放量。

在膨胀技术改进方面，主要是采用气流式干燥设备替代传统的滚筒烘丝设备。目前，气流式干燥设备主要有英国DICKSON－LEGG公司的HXD、德国HAUNI公司的HDT、意大利COMAS公司的CTD以及国产的SH94等型号。与滚筒式烘丝设备相比，气流式干燥设备处理后的烟丝较滚筒处理烟丝，叶丝的膨胀率和填充值都有较大幅度的提高，改善了卷烟的燃烧性，同时也能降低主流烟气中部分有害物质的释放量［36］。 寇明钰等［37］研究了气流烘丝参数对卷烟主流烟气7种有害成分释放量的影响。马宇平［38］对叶丝在HXD上的膨胀效果进行了试验，研究表明HXD可提高叶丝膨胀率，并随着气流干燥温度的提高，卷烟烟气焦油呈下降趋势。川渝中烟工业有限责任公司等［39－44］对 HDT烘丝机进行参数组合调整，达到了降低卷烟主流烟气中有害成分释放量的目的。通过对SH94工艺参数进行组合调整，有效降低了卷烟主流烟气中的苯酚、氨、苯并芘及NNK的释放量。

4　其他工艺减害研究

除了传统的烟叶加工减害工艺技术外，国内外研究者还通过采用超临界CO2技术、溶剂处理、烟叶激光打孔、低温处理等工艺技术来处理烟叶或烟丝，以实现降低主流烟气有害成分释放量的目的。喻世涛等［45］采用超临界萃取处理烟丝使焦油率降低25.77%， 烟碱率降低 54.14%，CO 率降低 12.04%。Krukonis［46］采用超临界处理烟丝，有效降低亚硝胺和稠环芳烃，其中亚硝胺去除率最高达到95%，稠环芳烃去除率也达到77%。田海英等［47］采用亚临界萃取技术处理卷烟烟丝，使苯酚、HCN、氨、CO和苯并芘的释放量都明显下降。河南中烟工业有限责任公司［48］利用烟草减害处理溶剂破坏烟草细胞的细胞壁结构，使部分蛋白质、铵盐、氨基酸等含氮物质组分溶出，从而使烟草燃烧时形成的氨的前体物质减少，降低有害成分的释放量。湖北中烟工业有限责任公司［49］对烟叶激光打孔的孔直径在 0.05～0.30 mm，孔与孔的间距在 2.0～10.0 mm，激光所打的微孔均匀分布，可有效增加烟丝和空气的接触面积，保障烟丝的充分燃烧，使焦油和CO同时有效地降低。徐安传等［50］将生产线上刚加完香的成品烟丝分别在0、－5、－10、－15、－20 ℃下放置 10、20 和 30 min， 有效降低了处理烟丝卷烟主流烟气中的CO释放量。

5　展望

尽管国内外烟草研究者对调制、打叶复烤及醇化、制丝等重点加工工艺环节的减害技术做了大量的研究，取得了一些有益的成果，对卷烟安全性的提高起到了重要作用。但是从分析结果来看，仍有一些需要做进一步研究。从烟叶调制方面来看，研究者在调制过程中研究较多的是亚硝胺在烟叶调制前后的变化，对于一些有害成分，如CO、苯酚、巴豆醛、HCN等方面研究较少，且对调制过程中有害成分含量或燃烧释放量变化机理研究仍有待深入。在打叶复烤及醇化方面，从选用的微生物及酶制剂来看，含微生物或酶制剂的醇化剂在复烤片烟醇化期中对烟叶内在化学成分有一定的影响作用，但烟叶醇化过程中的湿度和温度对这种作用过程影响较为显著。因此，选择在耐旱条件下生存的极端微生物和耐高温酶将成为未来复烤加料醇化的一个研究热点。在制丝工艺方面，研究人员对工艺参数的组合做了大量研究，优化了烟叶制丝工艺过程，但在参数变化影响有害成分释放量的作用过程研究尚不清晰；在气流式干燥设备应用方面，气流式干燥设备处理后的烟丝在降低部分有害成分释放量方面具有较好的应用效果，但在实际生产中存在不少问题，如烟丝刚过料或过料快结束时烟丝流量较小，出现“干头干尾”现象，而且气流干燥烟丝在香味成分减少、感官质量下降等问题都限制了气流干燥烟丝在叶组配方中的应用比例。因此，进一步改进气流烘丝设备，优化气流干燥烘丝机的工艺参数，提升气流干燥烟丝的感官品质将成为今后气流式烘丝干燥研究的重点。

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