提高烟草基片松厚度的研究进展

吴泽仕 宋顺喜，，* 时宇杰 张美云 李金宝 鲁 鹏 王 杰 矣勇波

（1.陕西科技大学轻工科学与工程学院，轻化工程国家级实验教学示范中心，轻化工助剂化学与技术教育部重点实验室，陕西西安，710021；2.广西大学轻工与食品工程学院，广西清洁化制浆造纸与污染控制重点实验室，广西南宁，530004；3.云南中烟再造烟叶有限责任公司，云南昆明，650106）

烟草薄片又称再造烟叶，是以卷烟生产过程中产生的烟梗、碎叶、烟末等烟草废弃物为主要原料，并配以植物纤维、化学助剂等通过物理、化学方法所制得的与天然烟叶性能相近的薄片状再生产品。烟草薄片可与天然烟叶按一定比例混合后填充至卷烟中，是现代烟草制造业中的重要原材料[1]。

目前，烟草薄片的生产方法主要有辊压法、稠浆法和造纸法。相较于辊压法和稠浆法，造纸法烟草薄片具有以下优势[2-3]：①烟草薄片组织结构疏松、柔软性好、透气性能好，有利于提高卷烟填充值。研究表明，通过调控压榨压力改善松厚度时，松厚度每提高1%，填充值可提升0.54%；②生产过程中化学组分可调控，能够降低CO 与焦油释放量，提升卷烟抽吸品质；③烟草薄片松厚度较高，木质气较轻，刺激性较小。因此，在卷烟中添加适量的烟草薄片，不仅有利于提高烟草原料的利用率与烟草行业的经济效益，而且还可改善卷烟的物理性能，减少烟草中的有害成分，如焦油和尼古丁等，对提高卷烟抽吸品质，实现卷烟工业“降焦减害”具有重要意义[4]。

松厚度与烟草薄片的吸收性、透气性、填充性能相关，是评价基片质量的重要技术指标[5]。提高烟草基片的松厚度，不仅可改善基片对涂布液的吸收性，卷烟的抽吸性能与填充性能，降低卷烟烟气中CO 等有害物质的含量[6]，而且也有助于实现烟草薄片轻量化，降低其生产成本。因此，制备高松厚度烟草薄片一直是烟草薄片生产企业所追求的目标之一。

本文结合近年来烟草薄片发展的新技术，从原料组分优化、制备工艺技术方面总结了提高基片松厚度的技术进展。

1 原料组分优化技术

1.1 梗叶配比

烟梗、烟末、碎烟叶等物质作为烟草薄片的重要组分，其化学成分与形态特征的差异对基片性能影响较大。烟梗纤维含量较多，纤维粗度和宽度较大，半纤维素、木素含量高于烟叶，而烟末、烟叶等物质纤维含量少，其成分主要为水溶性糖、烟碱等且杂细胞较多[7]。研究表明，随烟叶、烟梗配比的增加，基片松厚度、透气度和Cobb 值均呈现上升的趋势，但基片抗张指数逐渐下降[8]。与烟梗相比，烟叶中纤维含量较少且含有杂细胞和碎片，阻碍了烟草纤维与植物纤维之间的结合。随烟叶浆比例的增加，基片中纤维含量降低，各组分的结合程度下降，进而提高了基片的松厚度[9]。当烟叶添加量从30%提升至60%时，基片的松厚度提高了2.3%[10]。但也有研究发现，松厚度随着烟梗用量的增加而提升，原因可能是未添加植物纤维时，烟梗类占比增加，基片的结构疏松、孔隙增多，其物理性能表现为透气度逐渐增大，松厚度值也逐步上升[11]。

烟梗与烟叶作为烟草薄片的重要原材料，在烟草薄片的占比相对较大，对基片的物理性有着重要的影响。相对于外加植物纤维，烟草原料占比的提升，有利于基片物理性能与抽吸品质的提升。然而，在梗叶配比方面，由于原料来源多样、等级混杂、均质化程度低，对基片松厚度的影响也不尽相同。所以，为了提升基片的松厚度，可在保证基片强度的前提下，提高梗叶在基片的比例。

1.2 外加植物纤维

由于烟草原料中纤维长度短且杂细胞较多，因此烟草薄片制备过程中通常需要添加植物纤维作为增强组分，赋予基片一定的强度，确保基片的成形和纸机的运行性，同时满足基片加工过程的强度要求[12]。常用的外加植物纤维有针叶木、阔叶木、棉纤维等，纤维添加量在5%～20%。烟草薄片生产企业通常采用针叶木浆和阔叶木浆作为外加纤维。表1为基片中外加纤维的特点及其物理性能。由表1可知，针叶木浆纤维长且细，基片强度高，但对基片松厚度有不利影响；而阔叶木浆纤维粗且短，有利于改善松厚度[21]；本色浆木素含量较高，对基片的松厚度有利，但会对卷烟的抽吸品质产生影响，有强烈的刺激性，木质气味重，而且木素会在高温条件下生成苯、苯酚、稠环芳烃等有害物质[22]。棉浆纤维长度较长，基片柔韧性好，产生的杂气少，对卷烟抽吸品质的影响小；此外，也有将茶叶、苦菜、小茴香、甘草等药用纤维作为烟草薄片外加纤维，实现“增香降焦”的效果[23]。

表1 植物纤维的纤维特性及基片物理性能Table 1 Characteristics of various cellulosic fiber and physical properties of reconstituted tobacco sheets

在植物纤维用量方面，罗冲等人[13]的研究表明，随着植物纤维用量的增加，烟草薄片的松厚度呈下降趋势。当植物纤维配比为20%时，烟草薄片的松厚度相比于未添加植物纤维时下降了3.9%，当植物用量大于22%时，松厚度下降2%～3%之间[24]。因此，降低植物纤维的添加量，并对其适度打浆，不仅可以满足基片强度与松厚度要求，而且有利于降低烟草薄片木质气味，改善抽吸品质。目前，我国烟草薄片中加入的植物纤维大多为进口的针叶木与阔叶木，价格较高。李文昱等人[25]以甘蔗渣纤维为原料代替木材纤维，发现蔗渣纤维中含有的水溶性糖有利于降低烟草薄片的氯离子含量，减少产品的刺激性。同时以5%的蔗渣纤维替代5%的阔叶木纤维，发现基片的透气度吸收性、松厚度指标基本相同。栾鹏程等人[26]通过对蔗渣进行打浆处理，发现蔗渣纤维用量为20%时，随着蔗渣纤维用量和打浆度的增加，基片松厚度逐渐下降，相比于未打浆的蔗渣纤维，添加打浆度为67°SR蔗渣纤维时，基片的松厚度下降了5%。

细小纤维与纳米纤维素可以用作增强剂，弥补降低植物纤维用量造成的强度下降问题。细小纤维添加量增加，基片强度逐渐提高，但其松厚度与柔软度降低，滤水性能下降。采用细小纤维替代部分木浆纤维有可能实现基片综合性能的改善。有研究表明[27]，当木浆添加量12%，细小纤维添加量1%时，相对于工厂原有配方（即20%木浆用量），基片松厚度可提高3.4%，柔软性提高39.3%，基片物理性能得到了较大改善。细小纤维的纤维形态对基片的物理性能存在较大影响，王亮等人[28]研究了不同长度的细小纤维对基片松厚度的影响。结果发现，随着细小纤维平均长度的减小，基片的松厚度随之下降。添加平均长度为0.350 mm 的细小纤维相比添加0.812 mm 的细小纤维，其基片松厚度下降了3.3%。随着细小纤维长度的降低，比表面积增加，表面羟基更加丰富，纤维间的结合力增加，纤维网络更致密，从而使基片的紧度增加，松厚度降低。

近年来，纤维素纳米纤丝（Cellulose nanofibril,CNF）由于具有优良的纳米尺寸效应，较高的比表面积，丰富的表面羟基等，已成为造纸领域的研究热点之一。纳米纤维素表面丰富的羟基可赋予基片足够的强度。因此，添加纳米纤维素有利于降低植物纤维的用量，减少杂气，达到改善基片物理性能的效果。研究表明[29]，添加0.1%的CNF，木浆用量可由25%减少至16.7%，同时松厚度提升2.5%。刘雄利等人[30]将3 种纳米纤维素，即纤维素纳米晶体、羧基纳米纤维素及未改性纳米纤维素，添加到涂布液中以期改善基片的物理性能。结果发现，当3 种纳米纤维用量为0.1%时，与空白样相比，烟草薄片松厚度可提升2.4%～7.7%。

添加一定比例的植物纤维，如漂白针叶木浆、漂白阔叶木浆与本色浆等，可为浆料体系结构提供强度骨架性网络，保证纸机的正常运行。然而，植物纤维的加入不可避免的对基片抽吸性能产生一定的负面影响。所以开发利用新型的外加植物纤维，拓宽外加植物纤维来源，对于打破原料供应限制、降低生产成本具有重要意义。近年来，农业废弃纤维（如甘蔗渣、麻浆等）与茶叶等药用纤维逐渐应用于烟草薄片生产领域，这些植物纤维可以提高卷烟的内在品质，如提高香气、减少杂气、降低卷烟燃烧产生的焦油及自由基含量，拓宽了外加植物纤维的领域，提高了其应用价值。

1.3 填料

在基片抄造过程中添加填料替代部分纤维不仅能够提高烟草薄片松厚度和透气度，改善卷烟的燃烧性能和抽吸品质，还能降低企业生产成本[31]。从成本、安全性考虑，轻质碳酸钙是目前广泛使用的无机填料，其添加量一般在10%～20%。碳酸钙的添加使基片中有机物减少，同时，其多孔结构可改变基片微观结构，提高基片透气度和松厚度，在一定程度上起到降低焦油和CO 释放量的作用[32]。

填料的种类与用量对基片的结构与性能具有较大影响[33]。与其他填料相比，偏三角面体的轻质碳酸钙（PCC）对基片的松厚度提升效果较为显著。当填料添加量为15%时，添加PCC 基片的松厚度相对于添加滑石粉、GCC 基片的松厚度分别提高了2.32%和1.85%，相对于空白样品提高了2.80%[34]。当碳酸钙添加量从10%增加至50%时，基片松厚度提高了5.5%，随着填料添加量的提高，基片纤维层间的空隙被不同粒径的碳酸钙所填充，松厚度有较大提升。同时，基片的焦油与CO 释放量分别下降了24.29%、10.75%[35]。除了选择碳酸钙作为填料外，也有研究对比了硅藻土、二氧化钛等填料对基片物理性能的影响。研究发现，添加硅藻土、二氧化钛、轻质碳酸钙填料均可提高基片松厚度。但硅藻土与钛白粉添加量低时基片性能较好，添加量在6%以内对基片松厚度提升较大[36]。

填料的粒径对基片松厚度影响也较大。王浩雅等人[37]研究了不同目数（300、600、1250、2000目）的碳酸钙对基片物理性能的影响，随着碳酸钙目数的提高，粒径逐渐降低，基片的抗张强度、填充值呈上升趋势，松厚度有所下降。基片灰分一定时，碳酸钙的粒径越小，越容易填充在纸张孔隙中，导致基片松厚度和透气度下降，不利于降低CO 和焦油释放量。综合考虑基片各项性能，碳酸钙的目数不宜超过600目。此外，较大粒径的填料有利于改善基片松厚度，由于硅藻土粒径较大，不仅可提高填料留着率，而且其自身的高孔隙率特点有利于降低有害物质的释放量；相对于PCC，不同粒径硅藻土可使基片松厚度提升2.7%～13.1%，且粒径越大对基片松厚度的提升越明显[38]。

除了对填料种类、用量及粒径进行优化外，填料改性也是提高填料留着、改善基片性能的有效有段[39]。俞海军等人[40]研究了3 种碳酸钙改性方式（淀粉与助留剂混合加入、淀粉改性、烟梗纤维-淀粉改性）对基片的影响。与直接添加淀粉和填料相比，3种改性方式制备的基片填料留着率依次增加，松厚度分别提升5.85%、8.78%、10.73%，且降低了基片CO与焦油释放量。纳米纤维素具有高的比表面积、机械强度以及生物可降解性，在预絮聚、颗粒的留着及纸基强度的增强等领域研究广泛。Guan 等人[41]将CNF用作絮凝剂，研究了CNF 与PCC 的复合及对纸张性能的影响。结果发现，PCC及CNF的复合填料能使填料留着达到90%。在填料含量相同时，制备出的基材强度性能好。填料留着的提高，减轻了白水处理的压力，且絮聚后的填料拥有较大的粒径，能够改善基片的松厚度。Liu 等人[42]使用阳离子纳米纤维素（CCNF）絮聚PCC，发现CCNF 能够改善PCC 的絮聚与再絮聚性能。与未添加CCNF相比，添加0.4%（相对于绝干烟草浆）的CCNF 后，PCC 的留着率及浆料留着率分别提高了6.8%和41.8%，烟草薄片的松厚度和透气性分别提升了6.8%和41.8%，抗张强度略有下降。当CCNF 添加量在7%（相对于PCC 的添加量）时，PCC 的留着率从32.7%提升到44.7%，烟草薄片透气度、柔软度、松厚度分别提升了15.1%、28.0%、3.6%[43]。

填料在烟草薄片的应用中存在2 个问题，一是填料粒径较小，留着率较低；二是填料保留在基片中干扰纤维的结合，降低纸张的强度性能。目前，填料的种类、用量、粒径以及填料改性等方面已经做了诸多研究，未来将可降解、环保、无毒的高分子材料与填料进行复合应用到烟草薄片，改善填料的留着和基片强度是该领域的重要方向之一。

1.4 类填料

烟草废弃料如烟梗、烟末等材料，经过粉碎机处理后，可得到尺寸大小不一且形状不规则的颗粒状物质。因其形态、尺寸类似于造纸填料，但又属于烟草组分，可称之为“类填料”。研究表明，将烟梗粉碎、筛分后，获得的梗颗粒可提高基片的松厚度与透气度。大粒径的梗颗粒对松厚度的提升尤为明显。与未添加梗颗粒的基片相比，添加4 种尺寸（＞60、60～80、80～120、120～200 目）的梗颗粒，其松厚度分别提升8.31%、6.31%、5.98%、2.99%[44]。除烟梗颗粒影响外，不同尺寸的烟末也可作为类填料，对烟草薄片性能产生影响。当烟末尺寸降低时，过多的烟末填充在纤维交织的网络里，导致松厚度降低。当烟末尺寸为120～200 目时，相比添加60～80、80～120目的烟末尺寸，基片的松厚度分别下降7.65%和5.10%[45]。

采用“类填料”作为烟草薄片的组分，明显提升了基片的松厚度，同时对基片的抽吸品质影响较小。在后续的研究中，可以进一步探究原料粒径、形貌及比表面积对基片物理性能的影响。

1.5 助剂

造纸法基片生产中所用助剂的选择必须要求天然、无毒，同时具有良好的助留助滤和增强等性能。烟草薄片产品的特殊性导致我国所使用的添加剂种类较少，对所选用的添加剂加入后所造成的产品品质是否改变缺乏全面的研究。因此，要结合实际生产，在保证无化学品危害下，合理使用添加剂。

有研究发现添加壳聚糖助剂后基片的松厚度高，当壳聚糖用量在0.6%时，较未添加助剂的基片松厚度可以提高8%左右[46]。这是因为添加助剂，提高了填料的留着率，因而增加了基片的松厚度，但也降低了基片的结合强度[47]。孙德平等人[48]对比了2 种不同的助剂瓜尔胶和壳聚糖，当二者用量相同（0.6%）时，添加壳聚糖的基片松厚度更高。因为壳聚糖的助留效果要优于瓜尔胶，且具有增强效果，当壳聚糖添加量增加时，其增强和助留的综合作用，导致基片松厚度和抗张强度进一步增加。为了提高壳聚糖的使用效果，徐曼等人[49]进一步研究了3 种不同分子质量的壳聚糖对基片物理性能的影响。研究发现，随着壳聚糖添加量的增加，基片的松厚度呈先上升后下降的趋势，壳聚糖的添加量在0.4%以内对基片松厚度提升最大。

2 纤维处理技术

2.1 打浆

（1）打浆度对基片松厚度的影响

烟草纤维本身并不是优良的造纸原料，因此必须经过适当的打浆来控制基片的各项物理性能[50]。打浆度对造纸法基片的物理性能影响较大。一般认为，随着烟草浆料打浆度的提升，基片的松厚度呈下降趋势[51]，原因在于打浆破坏了烟梗纤维的细胞壁，使部分纤维分丝帚化，打浆后期切断纤维增多，分丝帚化程度增大，增加了纤维之间的结合面积，从而使松厚度下降明显。王小升等人[52]对烟草原料进行打浆处理，研究烟草原料不同打浆度（25～65°SR）对基片透气度、松厚度的影响，结果发现，基片松厚度和透气度均随打浆度的升高而降低，特别是在25～35°SR时，基片松厚度下降幅度高达12%。随着打浆程度的增加，每提高10°SR，基片松厚度下降约2%。在外加植物纤维打浆方面，打浆度的提升同样对基片的松厚度产生不利影响。植物纤维浆料打浆度提高，基片的抗张指数上升幅度大，松厚度有所下降，但幅度较小。这是由于植物纤维在基片的添加量较低，植物纤维打浆对松厚度的影响相对较小。

（2）浆浓对基片松厚度的影响

烟草薄片生产制备过程中通常采用高浓打浆。高浓打浆流程相对较短，若使烟梗成浆，则会导致烟末形成大量碎片，造成匀度不理想、湿重偏低，这对纸机运行均有不利的影响。针对烟草原料低浓打浆与高浓打浆基片物理性能差异，有研究对比了4%（低浓）、8%、18%（中浓）、30%（高浓）打浆时所得基片性能，发现低浓磨浆获得的烟草浆配抄的基片松厚度较高[53]。相对于高浓磨浆，低浓磨浆后基片松厚度提高了3.2%，同时柔软性得到改善。宋成剑等人[54]对烟草原料的低浓打浆工艺进行了优化，探究了“两级打浆”的低浓打浆，采用轻刀对烟草浆多级揉打，减少对纤维的切断作用，因而基片松厚度较高浓打浆提高了7.92%。高浓打浆和低浓打浆后的烟草浆纤维形态存在显著的差异，高浓打浆以纤维的分丝帚化为主，保留了纤维长度、降低了纤维的粗度，有利于纤维之间的紧密结合及抗张强度提升；而低浓打浆则以纤维的切断为主，打浆后纤维的粗度较大，对改善烟草基片的松厚度有利。在此基础上，为了避免生产的浆料分丝帚化率低、过度切断纤维等问题，许江虹等人[55]开发出一种柔性制浆技术，即将高浓制浆与低浓制浆相结合，并对烟梗、碎烟叶、外加植物纤维分开制浆，具有纤维平均长度较长、分丝帚化好的特点，实现了对原料的精细化加工及过程可调控，其工艺流程如图2所示。该方法保障了烟草薄片产品松厚度和抗张强度的要求，同时可提高纸机车速和生产效率。

2.2 预处理

烟梗中果胶、木质素、单宁等大分子物质含量较高，不仅影响烟梗纤维的疏解，而且会影响烟草薄片的燃烧性能及产品品质，因此可对烟梗进行一些预处理，以达到调控烟草薄片产品物理结构和化学组成的目的。除采用常规洗梗预处理方式外，还有加酶萃取[56]、微生物发酵[57]和疏解萃取等技术[58]。王凤兰等人[59]通过化学萃取铵碱法对烟梗纤维进行预处理，即采用尿素［CO(NH2)2］和碱性化合物（KOH）协同处理，改善烟草薄片物理性能。在最优条件下，与未预处理烟梗纤维所抄造的基片相比，所得基片的抗张指数、松厚度和柔软性能分别提高了9.3%、16.5%和27.4%。采用铵碱法处理原料可使烟梗中的木素、半纤维素等高分子物质和果胶等大分子物质发生降解，从而改善烟梗的细胞壁结构，使基片的松厚度与未预处理的基片相比有一定程度的提高。此外，也有对比研究水热、乙醇水溶液和碱性离子液体预处理烟梗对基片物理性能的影响。相对于热水抽提和乙醇水溶液处理，经碱性离子液体处理后，烟梗中的部分木质素去除，纤维的润胀和分丝帚化得到改善，纤维间的氢键增加，纤维结合力提高，从而提高了基片的抗张强度，松厚度与透气度略有下降，松厚度较未处理时下降了约7.1%[60]。胡念武等人[61]发明了一种采用碳酸氢钠提高基片松厚度的方法，其原理是在浆池加入食品级乙酸和碳酸氢钠溶液，反应产生的二氧化碳气体增加纤维间的距离，从而使纤维在网部成形过程中保持较大间距。该方法制备的基片松厚度可提高6%以上，但碳酸氢钠可能会进一步加重废水处理的困难，对抽吸品质造成负面影响。

图2 柔性制浆技术工艺流程图Fig.2 Flexible pulping process

图3 泡沫成形法制备烟草薄片Fig.3 Foam forming process of reconstituted tobacco sheets

3 泡沫成形技术提高基片的松厚度

泡沫成形技术是一种新型的纸张成形方法，它是指在浆料中加入表面活性剂，通过机械、气流等作用产生泡沫，使纤维分散在水基泡沫中形成泡沫浆料，通过真空作用消泡脱水形成纸张。泡沫成形过程中，气泡代替水对纤维进行分散不仅可有效防止纤维的缠结、再絮聚，而且提高了成形浓度，减少水资源浪费的同时，泡沫成形制备的产品相比于湿法成形，具有更好的均一性[62]，其制备过程如图3 所示。结果表明，表面活性剂用量大于0.4 g/L 时，机械搅拌和泡沫空气含量相对稳定，植物纤维与烟草纤维得到良好的分散，纤维在纸张结构中的Z向取向明显。表面活性剂为0.6 g/L 时，对基片松厚度提升最大。泡沫成形可以使基片具有更好的匀度、松厚度，相对于湿法成形制备的基片，其松厚度提升了约12%[63]。

4 结 语

目前，烟草薄片不仅可以充分利用烟草资源，而且还可改善卷烟的物理性能，减少烟草中的焦油、尼古丁等有害成分，对实现卷烟工业“降焦减害”、提高卷烟品质具有重要意义。提高基片松厚度，不仅可改善基片对涂布液的吸收性，降低卷烟烟气中CO 等有害物质的含量，而且可提高卷烟填充值，降低烟草薄片的生产成本。我国烟草薄片生产企业通过技术创新，在优化浆料组分配比和填料特性，调整制浆工艺参数和浆料特性等方面开展了大量研究，并取得了较好的效果。随着高品质烟草薄片需求的提升，提高基片松厚度仍是企业不断追求的目标之一。但开发高松厚度烟草薄片仍面临诸多挑战，如松厚度提升导致烟草薄片强度降低、切丝困难、造碎率上升，基片强度差也会导致后期涂布工艺效率的降低等问题。此外，随着技术进步，干法烟草薄片已进入中试阶段，像湖北中烟、广东中烟、四川中烟均在建或已投产中试线。与造纸法烟草薄片相比，进一步提高了烟草薄片的松厚度（松厚度＞2.5 cm3/g）。此外，一些新原料、新技术和方法的发展也为高松厚度基片的研究提供了新的思路。高校和企业应加强合作，共同促进我国烟草薄片质量“上水平”。