微生物多糖改善高透滤棒成形纸强度性能的研究

杨 扬 王 浩 朝鲁门 郑 晗 刘群华谢 姣 刘 文，* 白媛媛

（1.中国制浆造纸研究院有限公司，北京，100102；2.制浆造纸国家工程实验室，北京，100102；3.云南中烟工业有限责任公司技术中心，云南昆明，650231）

滤棒成形纸在卷烟过滤嘴结构中处于醋酸纤维丝束芯和外层接装纸之间，主要分为普通型和高透型。高透滤棒成形纸（简称高透成形纸）一般是指透气度高于3000 CU的滤棒成形纸[1]。卷烟滤嘴棒中采用高透成形纸可稀释烟气，大幅降低卷烟焦油量，起到降焦减害的作用。为了达到较高的透气度，高透成形纸所用纸浆打浆度较低，但较低的打浆度导致纸张的强度性能较差，从而使纸机生产加工嘴棒时掉毛现象严重、易断纸，影响生产效率和嘴棒产品质量，因此，需要利用增强剂来增加纸张的强度。为保持高透成形纸较高的透气度，所用增强剂应尽量不影响纸张透气度。通常采用淀粉等多糖类物质改善纸张强度，微生物多糖也属于多糖类物质中的一种，是利用生物技术开发的新型发酵产品，是细菌、真菌和蓝藻等微生物在代谢过程中产生的对微生物有保护作用的生物高聚物[2]。近年来，针对微生物多糖的研究开发及创新应用日益增加并逐步深入。目前已大量投产的微生物多糖有黄原胶、结冷胶、普鲁兰多糖（短梗霉多糖）、葡聚糖等。其中，部分微生物多糖在烟草工业也有所应用，如普鲁兰多糖、普鲁兰多糖复配物或衍生物在卷烟烟丝加工过程中以加料的方式进行添加，具有增加烟丝芳香，降低卷烟干燥感，延长烟支变干期的作用[3-5]。微生物多糖的结构中含有较多的羟基，理论上能够与纤维结合增加纸张的强度。本研究将黄原胶、普鲁兰多糖、葡聚糖和α-环糊精4种微生物多糖用于高透成形纸的制备，探索微生物多糖在高透成形纸中的应用，分析多糖种类、添加方式、用量对不同打浆度及不同透气度纸张性能的影响，优选出对透气度影响较小且改善强度性能较好的微生物多糖及处理工艺。

1 实 验

1.1 实验原料

纤维原料：漂白硫酸盐针叶木浆A，漂白硫酸盐针叶木浆B，丝光化针叶木浆，黏胶纤维。

助剂：黄原胶，河南豫兴生物科技有限公司；普鲁兰多糖、葡聚糖、α-环糊精，上海阿拉丁试剂有限公司。

1.2 实验仪器及设备

Vally打浆机、快速纸页成型器，奥地利PTI公司；转鼓式干燥器，日本KRK公司；电脑测控抗张强度试验机，四川长江造纸仪器有限责任公司；透气度测量仪，中国科学院安徽光学精密机械研究所；厚度仪，四川长江造纸仪器有限责任公司。

1.3 实验方法

1.3.1 浆料的准备

将漂白硫酸盐针叶木浆板用水浸泡、撕碎，然后用Vally打浆机疏解、打浆备用。取部分浆料用纤维分析仪测定纤维长度、宽度及平均形态因子等特性。

1.3.2 微生物多糖的溶解

量取一定量的水置于容器中，开启搅拌器，在搅拌的条件下分别缓慢加入微生物多糖，使其完全溶解，根据这4种微生物多糖的特性分别配制不同浓度的溶液备用。

1.3.3 高透成形纸的制备

浆内添加微生物多糖：将微生物多糖溶液添加至纸浆悬浮液中，搅拌混合均匀后，用快速纸页成型器抄纸，湿纸幅用转鼓式干燥器干燥，纸张定量为25 g/m2。

表面浸渍微生物多糖：打浆后的纸浆用快速纸页成型器抄纸，湿纸幅用转鼓式干燥器干燥制得高透成形纸原纸，原纸在不同浓度的微生物多糖溶液中浸渍，得到不同上胶量的高透成形纸，浸渍后的纸张经施胶压榨辊挤压后用转鼓式烘缸进行干燥，定量为25 g/m2。

1.3.4 纸张性能的测定

测定制备的高透成形纸的定量、紧度、抗张强度、抗张能量吸收和透气度，抗张强度和抗张能量吸收按照GB/T 12914—2018规定进行测定，透气度及透气度变异系数按照YC/T 172—2002进行测定。

2 结果与讨论

2.1 不同纤维原料对纸张性能的影响

选用漂白硫酸盐针叶木浆A和漂白硫酸盐针叶木浆B 2种纸浆原料分别抄纸，测定不同打浆度浆料抄造纸张的抗张强度、抗张能量吸收和透气度等性能，结果如表1所示。从表1可以看出，在相近的打浆度时，2种针叶木浆相比，针叶木浆B的纸张不仅透气度高且抗张强度和抗张能量吸收也较高，这与2种针叶木浆的纤维形态特性有关，2种针叶木浆纤维分析结果见表2。从表2可知，针叶木浆B比针叶木浆A的纤维更长更宽，且平均形态因子较小，扭结角相对较高，表明针叶木浆B比针叶木浆A纤维稍弯曲，这些性能有利于赋予纸张较高的透气度。2种针叶木浆抄纸结果表明，针叶木浆B更适于制备高透成形纸，后续研究主要以针叶木浆B为原料抄纸。

表1 2种针叶木浆的纸张性能Table 1 Physical properties of different paper made from two kinds of softwood pulp

表2 2种针叶木浆纤维分析结果Table 2 Fiber properties of two kinds of softwood pulp

2.2 4种微生物多糖浆内添加对纸张性能的影响

以打浆度为18°SR的针叶木浆B为纤维原料，将黄原胶、普鲁兰多糖、葡聚糖和α-环糊精4种微生物多糖在浆内添加，4种微生物多糖的用量分别为1%、3%、5%、7%、10%（相对于绝干浆质量），测定成纸的强度性能和透气度，结果如图1～图3所示。

从图1～图3可以看出，浆内分别添加4种微生物多糖后，纸张的透气度均无明显变化，几种纸张的抗张强度、抗张能量吸收对比，添加不同量黄原胶、葡聚糖和α-环糊精的纸张强度与未添加多糖的纸张相比变化不大，当黄原胶、葡聚糖和α-环糊精的用量高达10%时，纸张抗张强度分别为1.05、1.05和1.11 kN/m，与未添加多糖纸张的抗张强度1.04 kN/m相当。添加普鲁兰多糖的纸张，随着普鲁兰多糖用量的增加，其抗张强度和抗张能量吸收呈增加趋势，但增加幅度不明显，仅当普鲁兰多糖的用量为10%时，纸张的抗张强度和抗张能量吸收才有较明显的增加，分别为1.27 kN/m和13.9 J/m2，与未添加多糖的纸张相比，抗张强度和抗张能量吸收分别增加了22.1%和19.8%，普鲁兰多糖对纸张的增强效果优于其他3种微生物多糖。

图1 微生物多糖用量对纸张抗张强度的影响Fig.1 Effect of microbial polysaccharide dosage on tensile strength of paper

图2 微生物多糖用量对纸张抗张能量吸收的影响Fig.2 Effect of microbial polysaccharide dosage on tensile energy absorption of paper

图3 微生物多糖用量对纸张透气度的影响Fig.3 Effect of microbial polysaccharide dosage on air permeability of paper

总体来看，微生物多糖浆内添加对高透成形纸的强度并未产生明显的改善作用，普鲁兰多糖增强效果相对较好，但普鲁兰多糖需要在较高的用量下才会发挥出一定的增强效果。这可能是因为这4种微生物多糖为非离子多糖，在浆内添加后大多不能直接吸附在纤维表面，抄纸成形过程中纸幅中多糖的留着率低，导致增强效果不明显。

2.3 4种微生物多糖浸渍处理对纸张性能的影响

以打浆度18°SR的针叶木浆B为原料制备原纸，然后分别用4种微生物多糖浸渍原纸，改变微生物多糖浸渍液的浓度，以获得不同上胶量的高透成形纸，分别测定浸渍不同微生物多糖后纸张的强度性能和透气度，并与相同定量的未浸渍纸张性能进行对比，结果如图4～图6所示。

图4 微生物多糖浸渍纸张抗张强度性能Fig.4 Tensile strength of paper impregnated with four microbial polysaccharides

图5 微生物多糖浸渍纸张抗张能量吸收Fig.5 Tensile energy adsorption of paper impregnated with four microbial polysaccharides

图6 微生物多糖浸渍纸张透气度性能Fig.6 Air permeability of paper impregnated with four microbial polysaccharides

实验所用的4种微生物多糖在相同质量分数时，黄原胶溶液的黏度最大，当质量分数为1%时，黄原胶溶液的黏度高达1000 mPa·s以上，其他3种多糖溶液的黏度均低于50 mPa·s。黄原胶具有在很低浓度时呈现高黏度的特性，当黄原胶浸渍液质量分数大于0.5%时浸渍处理操作较为困难，所以本课题在研究不同浓度的黄原胶浸渍液对高透成形纸性能的影响时，所用黄原胶溶液的浓度均≤0.5%，其他微生物多糖浸渍液的浓度范围为1%～10%，因此黄原胶浸渍纸张的上胶量较其他多糖低。

从图4和图5可以看出，黄原胶、葡聚糖浸渍后纸张的抗张强度和抗张能量吸收随着上胶量增加变化不大，具有较高的上胶量的纸张强度性能也与未浸渍纸张相当。浸渍α-环糊精纸张的强度性能在上胶量较高时才稍有改善，当上胶量为3.40 g/m2时，纸张的抗张强度和抗张能量吸收分别为1.23 kN/m和13.6 J/m2，与未浸渍纸张相比，抗张强度和抗张能量吸收分别增加了18.3%和16.2%。用普鲁兰多糖浸渍后，纸张的抗张强度和抗张能量吸收随上胶量的增加呈现先显著增加后稳定的趋势，当上胶量为1.97 g/m2时，纸张的抗张强度和抗张能量吸收分别为1.75 kN/m和23.8 J/m2，相比未浸渍纸张，抗张强度和抗张能量吸收分别增加了68.3%和103.4%，强度性能增加明显。从图6可以看出，4种微生物多糖浸渍处理均对纸张的透气度无明显影响，相比未浸渍纸张，透气度降低值均低于10%。

4种微生物多糖中，黄原胶是含有支链的多糖，主链为2个β-1,4-苷键连接的葡萄糖，支链含有2个甘露糖和1个葡萄糖醛酸基元，相对分子质量为100万～2000万[2]，实验所用多糖中黄原胶的相对分子质量最高；普鲁兰多糖是葡萄糖按α-1,4-糖苷键结合成麦芽三糖，两端再以α-1,6-糖苷键同另外的麦芽三糖结合，如此反复连接而成的高分子多糖，相对分子质量为2万～200万[6]；葡聚糖是由数个葡萄糖分子聚合而成的低聚糖，具有支链结构，实验所用葡聚糖主链由α-1,6-糖苷键连接，支链含1,2、1,3、1,4-糖苷键连接，实验用葡聚糖的相对分子质量为2万；α-环糊精是由6个葡萄糖单元以1,4-糖苷键连接的环状低聚糖化合物，相对分子质量为973，在所用的4种微生物多糖中相对分子质量最低。这4种多糖对高透成形纸强度性能改善作用的差异可能与多糖的组成结构、空间位阻及相对分子质量密切相关，普鲁兰多糖的分子结构、相对分子质量可能更有利于其在纤维表面的吸附，有助于多糖分子之间的结合及多糖与纤维的结合，从而改善纸张的强度。

2.4 普鲁兰多糖浸渍处理对不同打浆度浆料纸张性能的影响

用打浆度为15°SR、18°SR、21°SR针叶木浆B抄纸，然后用不同浓度的普鲁兰多糖分别进行浸渍处理，测定浸渍后纸张的强度和透气度性能，考察普鲁兰多糖对不同打浆度纸浆制备的高透成形纸性能的影响，并与相同定量的未浸渍纸张性能进行对比，结果如图7～图9所示。

图7 普鲁兰多糖上胶量对不同打浆度纸张抗张强度的影响Fig.7 Effect of pullulan content on tensile strength of paper with different beating degree

图8 普鲁兰多糖上胶量对不同打浆度纸张抗张能量吸收的影响Fig.8 Effect of pullulan content on tensile energy adsorption of paper with different beating degree

图9 普鲁兰多糖上胶量对不同打浆度纸张透气度的影响Fig.9 Effect of pullulan content on air permeability of paper with different beating degree

从图7和图8可以看出，随着普鲁兰多糖上胶量的增加，不同打浆度纸张的抗张强度和抗张能量吸收均呈现增加的趋势，18°SR和21°SR的纸张浸渍不同浓度普鲁兰多糖后抗张强度和抗张能量吸收值较为接近，均高于15°SR纸张的强度数值，当上胶量较高时（约3.0 g/m2），3种不同打浆度的纸张抗张强度和抗张能量吸收趋于一致。当普鲁兰多糖上胶量在3.0 g/m2左右时，3种纸张抗张强度分别为1.59、1.76和2.01 kN/m，比未浸渍纸张分别增加了69.9%、69.2%和67.5%，纸张抗张能量吸收分别为19.4、23.0和23.5 J/m2，比未浸渍纸张分别增加了98.6%、96.6%和72.8%。从图9可以看出，随着打浆度的增加，纸张透气度明显降低，打浆度为15°SR时纸张透气度高于10000 CU，打浆度增加至21°SR时纸张的透气度降至6000 CU以下。随着普鲁兰多糖上胶量的增加，不同打浆度纸张的透气度均无明显变化，当上胶量约3.0 g/m2时，3种纸张透气度比未浸渍纸张分别降低了7.03%、11.6%和5.53%。

2.5 普鲁兰多糖对透气度20000 CU高透成形纸强度性能的影响

根据相关研究[7-9]，丝光浆成纸具有很高的透气度，且丝光浆能改善卷烟抽吸时的杂气，纸张中黏胶纤维的添加也会增加纸张的松厚度和孔隙率，从而增加透气度，但丝光浆和黏胶纤维均不利于纸张强度性能。采用18°SR针叶木浆B分别与丝光浆和黏胶纤维配抄，制备透气度为20000 CU的高透成形纸，分析普鲁兰多糖对20000 CU高透气度的纸张强度性能和透气度的影响，结果如图10～图12所示。

图10 普鲁兰多糖上胶量对丝光浆和黏胶纤维配抄纸张抗张强度的影响Fig.10 Effect of pullulan content on tensile strength of paper containing mercerized pulp or viscose fiber

图11 普鲁兰多糖上胶量对丝光浆和黏胶纤维配抄纸张抗张能量吸收的影响Fig.11 Effect of pullulan content on tensile energy adsorption of paper containing mercerized pulp or viscose fiber

图12 普鲁兰多糖上胶量对丝光浆和黏胶纤维配抄纸张透气度的影响Fig.12 Effect of pullulan content on air permeability of paper containing mercerized pulp or viscose fiber

从图10和图11可知，丝光浆和黏胶纤维配抄的纸张初始抗张强度均为0.70 kN/m左右，抗张能量吸收为6.70 J/m2，强度性能较差。浸渍普鲁兰多糖后，随着上胶量的增加，抗张强度和抗张能量吸收均呈线性增加的趋势，含有黏胶纤维的纸张强度性能改善更为明显，尤其是抗张能量吸收增加幅度较大。当上胶量达2.7 g/m2时，含丝光浆纸张的抗张强度和抗张能量吸收分别达1.35 kN/m和14.1 J/m2，比未浸渍纸张分别增加了96.5%和112.0%；含黏胶纤维纸张的抗张强度和抗张能量吸收分别达1.60 kN/m和23.2 J/m2，比未浸渍纸张分别增加了126.0%和243.7%。从图12可以看出，浸渍普鲁兰多糖后，含丝光浆和含黏胶纤维的纸张透气度随着上胶量的增加均未发生明显变化。由此可知，浸渍普鲁兰多糖可有效改善含丝光浆和含黏胶纤维的高透气度滤棒成形纸的强度性能，且不影响纸张的高透气度。

3 结 论

3.1 黄原胶、普鲁兰多糖、葡聚糖和α-环糊精4种微生物多糖用于改善高透成形纸性能，普鲁兰多糖对改善纸张强度的效果明显优于其他3种微生物多糖，浸渍处理的方式比浆内添加更加有效，且普鲁兰多糖浸渍处理对纸张的透气度无明显影响。

3.2 用普鲁兰多糖浸渍打浆度为15°SR、18°SR、21°SR针叶木浆B制备的纸张，随着普鲁兰多糖上胶量的增加，纸张的抗张强度和抗张能量吸收均呈增加的趋势，透气度变化不明显，浸渍普鲁兰多糖能在不改变纸张透气度情况下明显改善不同打浆度纸张的强度性能。当普鲁兰多糖上胶量约3.0 g/m2时，15°SR、18°SR、21°SR纸张抗张强度分别比未浸渍纸张增加了69.9%、69.2%和67.5%，纸张抗张能量吸收比未浸渍纸张增加了98.6%、96.6%和72.8%。

3.3 分别用丝光浆和黏胶纤维与打浆度18°SR针叶木浆B配抄，可制备透气度约20000 CU的高透成形纸，普鲁兰多糖能明显改善此类高透气度成形纸的强度性能且对透气度无明显影响。当上胶量达到2.7 g/m2时，含丝光浆纸张的抗张强度和抗张能量吸收比未浸渍纸张分别增加了96.5%和112.0%；含黏胶纤维纸张的抗张强度和抗张能量吸收比未浸渍纸张分别增加了126.0%和243.7%。