海洋多糖在卷烟中的应用研究进展

卢武钟卢红梅姜黎

(1.厦门烟草工业有限责任公司，福建 厦门 361000；2.福建鑫叶投资管理有限公司，福建 厦门 361000)

引言

卷烟材料中的“三纸一棒”对卷烟烟气的释放和卷烟感官质量具有重要影响[1]。通过醋纤及其加工工艺来调节滤棒的压降、通风率等性质，可调控吸阻、降害效率等功能，从而影响卷烟的抽吸感官质量[2]；另外，在滤棒中加入功能性物质，如高比表面积物质、活性中线，可达到对卷烟烟气的选择性降害[3]。由此说明，滤棒的功能化改性，是实现对卷烟烟气选择性降害、回甜增香、降低刺激性等提升卷烟感官质量的重要手段。

海洋的天然多糖，来源广泛、资源丰富、无毒无害，具有丰富的官能团，其特殊的一级、二级结构赋予其特异的生物活性或免疫功能。多糖是由10个以上的单糖通过糖苷键连接而成的高分子聚合物，其分子中含有大量的羟基等极性基团，可通过与水分子形成氢键而减缓水分的散失速率，从而表现出一定的保润性能。有研究发现，将多糖添加至烟丝或滤嘴上，在降害、降低刺激与干燥感、提升甜润等感官舒适度方面具有显著的正面影响[4]。大部分天然多糖溶于水中，因此其添加方式一般为水溶液喷雾于烟丝，或者将滤棒丝束浸泡于其中，或者经吸附剂吸附后再置于卷烟中。然而，这些现行的多糖添加方式，存在损害并降低烟丝质量、滤棒成型过程中三醋酸甘油酯酸化失效、多糖活性丧失、添加不均匀、工艺步骤复杂、成本提升等问题。海洋天然多糖或高分子对卷烟的功能改性或乳化添加，是实现对卷烟烟气选择性降害、回甜增香、降低刺激性等提升卷烟感官质量的重要手段。

1 海洋多糖在烟草段的保润性能

我国广阔的海岸线蕴含着丰富的海藻资源，海藻的主要成分包括多糖、氨基酸、维生素、酚类等，在医药、化妆品及食品行业等领域有着广泛的应用。海藻多糖作为一种重要的活性化合物，不仅可作为提升感官特性的添加剂材料，而且展现出良好的保润性能。

在卷烟的生产、运输和储存的过程中，为了改善烟草的物理性能，增强烟草的耐加工性，减少造碎、霉变等问题，通常需要向烟丝中添加保润剂。目前烟草行业常用的保润剂主要有丙二醇、甘油和木糖醇等，这些材料多利用材料自身的吸湿特性，在维持成品烟草含水率以及抽吸的舒适性方面的表现不够理想。而提取自海洋生物的海洋天然多糖不仅具有较为优异的保润性能，而且生产成本低廉，具有价高的应用和推广价值。

黄芳芳等[5]通过多种提取分离手段从铜藻中分别得到不同提取物，并将提取到的产品添加到烟丝中，进行物理保润性和生物安全性的测定。结果表明，铜藻多糖在高湿或低湿条件下均能有效减缓烟丝水分的变化；并且，添加了铜藻多糖的卷烟品质总体有所提升，一定程度上改善了吸食的口感。

杨君等[6]为优化微波法提取多糖的工艺参数，在单因素试验基础上，选择微波功率、提取时间、料液比进行3因素3水平试验，利用Design-Expert软件进行响应面分析，得出微波法提取裂片石莼多糖的最佳工艺条件，并研究其对烟丝的保润性能。裂片石莼多糖能够在低湿条件下降低失水率和失水速率，在高湿条件下有效减缓对水分的过量吸收，是一种潜在的保润剂；同时，添加了提取液的烟丝烟气总体提升，说明裂片石莼多糖添加到烟丝中能较好地改善吸食的口感。

2 天然多糖对滤嘴的功能化改性

天然多糖可来源于植物、动物、细菌以及真菌，其分子结构一般是各种单糖通过糖苷键键接形成的大分子，无毒无害且具有优异的生物相容性。天然多糖含有丰富的官能团，如羟基、羧基、氨基等，分子间的相互作用形成特殊的一级、二级乃至三级结构，从而赋予其特异的生物活性或免疫功能[7]，如猴头菇、虫草、灵芝、羊肚菌、沙棘、枸杞、金钱草、绞股蓝等特殊食药用菌和植物提取的天然多糖。采用这类天然多糖对滤嘴功能化改性，在降害、降低刺激与干燥感、提升甜润等感官舒适度方面具有显著的正面影响[8]，且对体内白细胞具有保护作用而降低炎症性疾病或癌症发生的风险[9]。然而，这类天然多糖来源特殊、资源有限、提取较难、得率较低，因而价格一般较高；同时，这类天然多糖一般溶解于水中，因此其在卷烟中的添加方式常通过水溶液喷雾于烟丝，或者将成型滤棒浸泡于其水溶液中，或者经吸附剂吸附后再置于卷烟中，导致降低烟丝质量、多糖活性丧失、添加不均匀、工艺步骤复杂、成本提升等问题，难以达到滤嘴功能化改性的实际应用。

3 海洋天然高分子对滤嘴的功能化改性方法

来源于海洋的天然多糖如壳聚糖、海藻酸(钠)等，属于可再生资源，取之不尽、价格低廉、用途广泛[10]。壳聚糖是甲壳素脱去55%以上的N-乙酰基的产物，是N-乙酰-2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖以b-1，4糖苷键形式连接而成的多糖；壳聚糖分子链上的氨基易于在酸性溶剂中质子化带正电荷，从而成为唯一大量存在的天然碱性多糖。海藻酸(钠)是由D-甘露糖醛酸和a-L-古洛糖醛酸按(1→4)键接的线性共聚物，因羧基而带负电性，主要是褐藻类的海带或马尾藻中提取碘和甘露醇以后的副产品。

由于壳聚糖、海藻酸具有特殊的氨基、羧基等官能团，与烟气中的醛类、氰化氢、重金属可产生氢键、络合等特异性相互作用，因而可应用于滤嘴的改性，起到选择性降焦、降害以及卷烟感官质量提升的功能[11]。将壳聚糖及其改性物粉末直接置于滤棒中段，或者将其悬浊液涂布于滤棒上[12]，均能发现所得改性滤嘴在选择性减害、提升卷烟感官质量方面的显著效能。将海藻酸钠浸涂在丝束后再加工成为滤棒，或者直接采用海藻酸纤维编织成为滤棒中线，也发现能选择性降低HCN、氨和苯酚的释放量。

尽管壳聚糖和海藻酸对卷烟感官质量提升显示出正面影响，但现行较为粗放的添加方式，对于这类多糖材料宏观形态、微观结构无法调控，极大限制了其在滤嘴改性过程中的加工方式、效能发挥以及质量稳定，从而在实际应用中存在较多缺陷。作为位于海洋大省福建省的厦门烟草工业有限责任公司，如何高效利用、开发这类海洋天然多糖在卷烟中的应用，以及建立自己的“蓝色”特色，不仅面临重要机遇，同时也存在较大挑战。

众所周知，规整且大小均一的球形颗粒材料相较无规粉末料在生产线上的应用和品质控制更为便捷和有效。由此，需采取恰当的方法将海洋天然高分子制备成为形态和微观结构可控的微球颗粒材料，由此固化其理化性能，从而达到其功能化改性滤嘴带来的烟支感官质量提升的稳定性。微流控技术是制备球形颗粒材料并能精准控制材料尺寸与微观结构的新技术。相较乳液法、反相乳化法、SPG膜乳化法等传统微球制备技术，微流控技术采用微流控芯片操纵微小体积液体并将其固化，从而精准控制所得微球材料的尺寸、微观结构与理化性能，成为制备微、纳米材料领域的重要前沿研究领域之一。微流控法制备海洋天然高分子微球一般是将其溶液在一定压力下由一定直径的毛细管挤出，由于表面张力以及挤出胀大效应，挤出的聚合物液体呈球形；采用T型通道及流动聚焦方式，处于毛细管末端的该球形聚合物液体被高速流动的不相容外相(连续相)的高剪切作用切割开来，形成独立的微液滴；独立、稳定的球形微液滴一般通过交联剂交联固化来获得规整的微球颗粒，其微观结构可通过交联条件(交联剂类型、温度等条件)来调控。如，Zamora-Mora等[13]通过调节壳聚糖溶液和外相流速，并以三聚磷酸和戊二醛混合交联剂交联微液滴中的壳聚糖而固化成型，由此制备了粒径可控、多孔微观结构可调的负载5-氟尿嘧啶的壳聚糖微球，并实现对5-氟尿嘧啶的缓释；Fang等[14]则以海藻酸钠和甲基丙烯酸修饰明胶的混合液经微流控技术制备成为“生物墨水”，再将其经3D打印成负载高细胞活性和高细胞密度的组织工程材料，其中溶液中的聚合物通过紫外光辐照固化成型。然而，采用微流控法制备的壳聚糖、海藻酸等海洋天然多糖微球，主要应用于污物吸附、药物缓释、组织工程等领域，文献检索未见其在卷烟领域的应用。

4 乳化添加法

如前所述，特殊食药用菌和植物提取的天然多糖一般是水溶性多糖，通常采用水溶液喷雾再干燥、浸泡或吸附等方式添加于卷烟中；对于价廉、有效的海洋天然多糖，则主要是以粉末形式直接置于滤棒中段的方式。尽管这些天然多糖对于卷烟选择性降害、感官质量提升具有显著的正面影响，但现有的添加方式往往导致多糖活性丧失、效能较低、不均匀、工艺步骤复杂、成本提升等问题，从而难以实际应用。

为有效、便捷地改性卷烟滤嘴，可考虑在滤嘴成型过程中添加天然多糖。现行的醋酸纤维素滤棒，采用三醋酸甘油酯喷涂于醋酸纤维素丝束使其部分溶胀而粘连，在三醋酸甘油酯挥发后成型。因此，可在喷涂三醋酸甘油酯的同时添加天然多糖，从而在不改变原有滤棒生产工艺的情况下实现天然多糖的均匀添加。然而，前期研究发现，将粉末型天然多糖直接分散于三醋酸甘油酯形成悬浊液，在喷涂时易于堵孔，无法连续化生产。由此，需要将天然多糖溶解或将其溶液均匀分散于三醋酸甘油酯中。如，李丕高等[15]将β-环糊精溶解于聚乙二醇，再添加至三醋酸甘油酯中；采用这种含β-环糊精的三醋酸甘油酯喷涂醋纤丝束，可制得高过滤性能且对卷烟焦油和烟碱具有较高选择性吸附的滤棒。

对于水溶性的天然多糖，则需将其配制成水溶液再分散于三醋酸甘油酯中形成均匀、稳定的乳液，这是实现天然多糖功能化改性滤嘴的关键。对此，不同性质与性能的天然多糖，涉及乳化剂类型的选择、乳化剂用量、乳液制备条件、乳液颗粒粒径等因素。在这方面，欧美韩等发达国家起步较早，主要集中于水溶性药物在油相中的分散、保质和定向释放。如，Choi等以月桂醇聚氧乙烯醚为乳化剂，将柠檬醛水溶液经匀浆机高速剪切分散于三醋酸甘油酯中，得到柠檬醛水溶液液滴尺寸在10～900nm的微乳液，从而大大降低了柠檬醛的降解速度并实现了柠檬醛的香味缓释。Benichou等采用香豆胶为乳化剂，通过匀浆机高速剪切则实现了水在三醋酸甘油酯中形成油/水/油的乳液，其稳定性达到了28天。

5 结论

天然多糖因其独特的生物相容性、可降解性、无毒性等越来越受到研究人员的青睐，近年来已得到广泛的关注和研究。开发利用新型天然多糖资源，将会是未来的一个发展方向。此外，应当加强天然多糖不同应用形式的开发力度，特别是功能性微凝胶等，以拓展天然多糖的功能化应用。随着海洋天然多糖制备方法的日趋完善和新技术的不断引入，未来天然多糖的应用范围将更加广泛。