降低造纸法再造烟叶烟气中焦油释放量的研究

苏丹丹，张相辉，王小升，关体青，安 毅*

(1．中烟施伟策(云南)再造烟叶有限公司，云南 玉溪 653100；2. 黑龙江烟草工业有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150001)

【研究意义】卷烟主流烟气中的焦油量属于霍夫曼清单中一种有害化合物[1]，其具有加速血管硬化及致癌等危害，低焦化卷烟是烟草行业一直以来的发展方向。为持续推进卷烟的减害降焦工作，国家烟草专卖局不断调整卷烟盒标焦油最高限量，从2001年的17 mg/支降至2004年的15 mg/支和2011年的12 mg/支， 2013年的11 mg/支和2015年的10 mg/支[2-3]。而造纸法再造烟叶(Paper-making Reconstituted Tobacco, PRT)作为一种重组性烟草原料，因其具有成本低、填充性能好、焦油释放量低等优点，广泛应用于卷烟产业中，成为卷烟产品中不可或缺的一种原料[4]。而随着细支卷烟的逐步流行，因其外观及感官优势逐渐赢得了广大女性消费者的支持，但细支烟并非单纯的由“粗”变“细”，其烟支圆周缩小的同时，也引起了卷烟吸阻增大、焦油释放量提高等问题，2014年国家烟草专卖局明确了17 mm左右的细支烟周长标准以及其焦油含量不得高于8 mg/支的要求。该要求明确了细支烟的发展方向为“低焦高档”、“低焦高质”以及“低焦高水平”[5]， 尤其是烤烟型细支烟“低焦化”趋势更加明显，对其原料再造烟叶的焦油释放量也提出了更高的要求。【前人研究进展】前人对于降低卷烟焦油释放量的研究较多[6-8]，由于再造烟叶本身具有低焦油、高CO释放量的特点，对于再造烟叶的减害研究多集中于降低其CO的释放量方面[9-10]，关于降低其焦油释放量的研究则较少。【本研究切入点】文章旨在从再造烟叶可调的优势出发，通过系统地研究工艺、添加剂、外加纤维等生产条件。【拟解决的关键问题】寻找可有效降低造纸法再造烟叶焦油释放量的技术，以扩大造纸法再造烟叶的应用范围及其在卷烟产品中的应用效果。

1 材料与方法

1.1 试验材料

文中所有烟草原料及碳酸钙等化学助剂取自于中烟施伟策(云南)再造烟叶有限公司。

实验仪器：瓦利打浆机(Jan-25，美国PTI公司)，抄片机(FDA，法国TECHPAP公司)，恒温恒湿箱(HWS, 上海精宏实验设备有限公司)，切丝机(QS-5A，河南省开封捷利器材厂)，转盘式吸烟机(RM-20H，德国Borgwaldt公司)，Tescan VEGA3 SBH型扫描电子显微镜(捷克Tescan公司)。

1.2 试验方法

1.2.1 提取实验 在外加纤维为6 %针叶木浆、涂布率为42 %的条件下，按照不同梗叶比例称取一定质量的烟梗，按照固液比1∶7加入水，在75 ℃下提取60 min，叶类物质采用固液比1∶6, 在65 ℃下提取60 min。提取完毕后，用纱网固液分离，液体于旋转蒸发仪中进行浓缩，固体按照1.2.2开展。

1.2.2 制浆、抄造实验 选取梗叶比例为1∶1的烟草原料按照1.2.1的方法进行提取、固液分离后，称取浆料的重量，利用梅特勒水分仪快速检测其水分，将浆料及适量比例的外加纤维加入到碎浆机中，添加适量水进行磨浆，检测打浆度，在浆料中添加适当比例的碳酸钙后抄造得到不同定量的再造烟叶片基。

结合生产实际，选取梗叶比例1∶1、外加纤维为6 %针叶木浆、涂布率42 %、定量为35 g/m2条件下，考察不同打浆度值对PRT焦油释放量的影响。接着选取梗叶比例1∶1、外加纤维为6 %针叶木浆、打浆度为45oSR、涂布率42 %的条件下，考察不同片基定量对PRT焦油释放量的影响。进而选取梗叶比例1∶1、打浆度为45oSR、定量55 g/m2、涂布率42 %条件下，外加针叶木浆纤维比例对PRT焦油释放量的影响。并在以上考察的基础上，选取梗叶比例1∶1、外加纤维为6 %针叶木浆、打浆度为45oSR、定量55 g/m2、涂布液中除碳酸钙外其它物质添加比例为38 %条件下，考察不同比例添加碳酸钙对PRT焦油释放量的影响。

1.2.3 涂布实验 在梗叶比例1∶1、外加纤维为6 %针叶木浆、打浆度为45oSR、定量55 g/m2条件下，制备再造烟叶片基，并按产品配方准确称取片基，精确至0.001 g，同时按配方要求配制的不同量的涂布液，涂布后得到不同涂布率的PRT样品。涂布前先将涂布液加热至(60±5) ℃，搅拌均匀后进行涂布，在温度(118±1) ℃的恒温鼓风干燥箱中烘干至水分约为11.5 %左右取出，将涂布样品全部转移至温度(22±1) ℃、湿度(60±2) %条件下平衡。

1.2.4 烟气检测 将制备好的样品于22 ℃，60 %RH的恒温恒湿条件下平衡48 h后，挑选质量为(0.85±0.02)g/支的卷烟烟支(40支/组)，按照标准GB/T 19609、GB/T23355、GB/T23356及GB/T23203.1进行主流烟气成分和焦油量的检测。

1.2.5 再造烟叶的微观形貌特征观察 将再造烟叶样品截取小正方块形状，用导电性胶带固定于样品台上，喷金处理后用扫描电镜观察样品纤维表面形态和微观结构，分别选取不同倍数的图片。电镜的工作电压20 KV,放大倍数250～2000倍。

1.2.6 钾盐喷涂 在梗叶比例1∶1、外加纤维为6 %针叶木浆、打浆度为45oSR、定量55 g/m2、涂布率42 %条件下，选取柠檬酸钾和酒石酸钾2种有代表性的钾盐样品，溶解于水中制备一定浓度的钾盐溶液，通过双面喷涂方式均匀分布在再造烟叶片状样品上，然后切丝平衡后制备烟支样品。

1.2.7 再造烟叶在卷烟中的掺配 以梗叶比例1∶1、外加纤维为6 %针叶木浆、打浆度为45oSR、定量55 g/m2、涂布率42 %条件下制备的常规PRT样品作为参照样，并以梗叶比例1∶1、外加纤维为10 %针叶木浆、打浆度为25oSR、定量30 g/m2、涂布率42 %条件下制备的PRT样品作为降焦样, 比较二者的焦油释放量。

以市场售卖的某一卷烟品牌为对照样，将上述PRT降焦样分别按照5 %、10 %、15 %、20 %及50 %的比例添加至卷烟烟丝中，混合均匀后进行烟支制样，筛选烟支重量在(0.85±0.02)g/支。而后置于温度( 22±1) ℃，湿度(60±1) %恒温恒湿间中平衡48 h后开展烟气检测。

2 结果与分析

2.1 梗叶比例对PRT 焦油释放量的影响

随着烟梗占比的上升，PRT的焦油释放量呈现出先上升后下降的趋势，在梗叶比2∶1时，其焦油和CO释放量均为最低(图1)。有研究表明[11-13]，烟梗中的细胞壁物质包含果胶质、木质素的含量均高于烟叶碎片，而木质素和果胶质含量的增加，会造成卷烟主流烟气中焦油和CO释放量的增加。因此，当原料中增加梗类的占比，从全叶变为梗叶比1∶1时，焦油释放量显著增加；但进一步增加梗类的占比，梗叶比为2∶1时，PRT的焦油释放量大幅下降，分析原因与片基组织结构有关，梗类物质含有较多的长纤维，其和外加纤维一起构成PRT片基的主要框架结构，叶类物质浆料则填充于其中。当梗类比例提升时，其结构趋向于多孔隙的疏松结构，有利于PRT的有氧燃烧，从而降低了有机质和糖类物质发生不完全燃烧的机率，因而降低了焦油释放量。

2.2 打浆度对PRT焦油释放量的影响

随着打浆度的上升，焦油释放量逐步上升，对两者进行线性拟合，可得方程为y=1.995+0.089x(式中，y为焦油量，x为打浆度)，其相关系数R2=95.4 %，说明二者呈现显著线性正相关关系。分析原因是打浆度上升时，浆料中的细小纤维含量上升，形成的PRT片基结构中长纤维和短纤维结合，结构变得致密，不利于PRT完全燃烧，从而使得焦油释放量增加(图2)。

图1 梗叶比例对PRT焦油释放量的影响

图2 打浆度对PRT焦油释放量的影响

张文军等[14]研究了打浆度对PRT物理指标及微观结构的影响，打浆度的增加会带来PRT透气度和松厚度的下降，同时微观结构由疏松变得紧密，孔隙变小。该结果也可说明打浆度带来的透气度和微观结构的变化，会导致烟支发生不完全燃烧，促使焦油释放量增加。

2.3 片基定量对PRT焦油释放量的影响

随着片基定量的上升，焦油释放量上升。对定量与焦油释放量之间的关系进行线性回归，可以得到如下回归方程：y=-1.573+0.1653x(式中：y为PRT的焦油释放量，x为片基定量)，此回归方程的相关系数R2=99.8 %，可以用于解释PRT片基定量与PRT焦油释放量之间正相关的关系。由于片基定量低时，其片基中含有的木质素、果胶等含量较低，结构相对疏松，在一定程度上减少了有机质不完全燃烧的机率，降低了焦油释放量(图3)。

为了进一步分析片基定量对焦油释放量的影响，使用扫描电镜对其微观结构进行分析，从图4看出，在定量为25 g/m2时，其纤维直径多小于25 μm，纤维呈现自然立体状态，纤维与纤维间有明显孔隙结构。随着定量逐步增大到35和55 g/m2时，其纤维逐渐扁平化，纤维直径变宽，纤维与纤维之间结合致密，无明显的孔隙结构。分析原因，在原料组成及打浆度一样的情况下，相同面积下，抄造高定量的PRT产品需要承载更多的纤维，而纤维之间互相挤压，由立体趋于扁平，结构更加致密。说明低定量的PRT产品结构疏松，更有利于烟支的完全燃烧，有利于降低焦油等有害成分的释放量。

图3 片基定量对PRT焦油释放量的影响

A：25 g/m2；B：30 g/m2；C：55 g/m2图4 不同片基定量PRT在1000倍的SEM图

2.4 涂布率对PRT焦油释放量的影响

随着涂布率的增加，其焦油释放量呈线性上升趋势。对涂布率和焦油释放量进行线性拟合，得方程为y=1.943+0.07859x,其中y为PRT焦油释放量，x为涂布率。其线性相关系数为98.1 %，由此说明PRT焦油释放量和涂布率呈显著线性相关。一般认为卷烟主流烟气中的焦油主要是由于有机物质的不完全燃烧产生的[15]，PRT中的有机质主要来源于涂布液中，涂布率越高，PRT中涂布液的占比越高，有机质含量也越高，从而导致焦油释放量越高(图5)。

2.5 外纤添加比例对PRT焦油释放量的影响

外加针叶木浆含量从6 %上升至12 %时，其焦油释放量逐渐下降。将PRT的焦油释放量和外纤添加比例进行拟合，得方程y=6.420-0.2550x，式中,y为PRT的焦油释放量，x为外加针叶木浆比例。该拟合方程的相关系数为93.7 %，说明PRT焦油释放量与外纤添加比例呈显著线性负相关。这可能是由于该试验条件下，烟草原料的比例为1∶1，而随着外加纤维比例的增加，逐步增大了PRT片基中长纤维的含量，有利于增加PRT的孔隙，使PRT片基的结构趋于疏松。有研究表明[16]，外加纤维比例从18 %上升至22 %时，PRT的松厚度和填充值逐渐增加。结合本文2.1中梗叶比例对PRT焦油释放量的影响考察试验中，纤维比例的增加，促使梗叶比例从1∶1向2∶1的方向发展，焦油释放量随之下降(图6)。

图5 涂布率对PRT焦油释放量的影响

2.6 钾盐添加比例对PRT焦油释放量的影响

研究表明，钾盐可以加快卷烟烟支的燃烧速率，降低抽吸期间的燃烧温度，使焦油量降低[17-19]。但并非所有的钾盐对卷烟都有降焦效果，还与构成钾盐的酸根离子及有机钾含量有关。从图7中也可明显看出，选取的2种常用钾盐中，柠檬酸钾具有明显的降焦效果，随着其添加比例的增大，降焦效果愈加明显。酒石酸钾在添加比例为1 %时，有较明显的降焦效果，但是后续随着添加比例的上升，其PRT焦油释放量反而呈上升趋势。

2.7 碳酸钙用量对PRT焦油释放量的影响

随着碳酸钙添加比例的上升，PRT的焦油释放量呈明显的线性下降趋势。该结果与殷艳飞等[10,20]的研究结果一致，碳酸钙是造纸法再造烟叶生产过程中一种常用且重要的添加剂，其可减少浆料纤维间的氢键，提高片基的松厚度，促进涂布液的渗透，降低再造烟叶焦油释放量。但需要注意的是，碳酸钙因为其多孔性，添加于PRT中会使其感官质量的木质气减少、刺激性降低、舒适度增加、余味变好的同时，也会造成香气量减少、浓度降低等负面效果。因此，不可为了追求降焦效果而添加过多的碳酸钙于PRT中(图8)。

图6 外纤添加比例对PRT焦油释放量的影响

图7 钾盐添加比例对PRT焦油释放量的影响

图8 碳酸钙添加比例对PRT焦油释放量的影响

2.8 降焦效果验证

2.8.1 因素集成后PRT的降焦效果验证 图9为常规PRT参照样和PRT降焦样的焦油和CO释放量对比图，从中可以看出，集合了增加纤维添加比例、低打浆度和低定量3种具有降焦效果因素后的PRT降焦样的焦油释放量明显低于常规PRT参照样，其焦油释放量降低了50 %以上，同时CO释放量也明显降低。

2.8.2 PRT掺配于卷烟中的降焦效果 图10为在梗叶比例1∶1、外加纤维为10 %针叶木浆、打浆度为25oSR、定量30 g/m2、涂布率42 %条件下制备的PRT降焦样按照不同比例掺配于某一卷烟产品后，卷烟烟支的焦油释放量变化图。该PRT降焦样应用于卷烟中，可明显降低卷烟的焦油释放量，且随着PRT添加比例的增加，卷烟的焦油释放量呈直线下降趋势。将卷烟的焦油释放量和PRT添加比例进行线性回归，得方程y=12.01-0.1278x，式中y为卷烟的焦油释放量，x为PRT降焦样品的添加比例，该拟合方程的相关系数R2为98.5 %，说明卷烟的焦油释放量与PRT降焦样品的添加比例存在显著线性相关，验证集合了降焦因素后制备的PRT应用于卷烟中可产生显著的降焦效果。

图9 因素集成前后PRT的降焦效果对比

图10 不同PRT掺配比例对卷烟焦油释放量的影响

3 讨 论

关于降低卷烟的焦油释放量，是卷烟行业共同面对的难题，已有很多学者开展过相关研究。由于卷烟燃烧是卷烟焦油释放的最直接途径，因此，前期学者期望以卷烟的燃烧性能作为研究入口，研究烟叶的焦油量与燃烧性能的相关性，寻找可以降低焦油量的方法[9]。添加剂钾盐如柠檬酸钾、酒石酸钾等的添加可以加速卷烟燃烧进程，提高其燃烧性能，因此许多学者对于钾盐对卷烟焦油释放量的影响也进行了相关研究，证实了一些钾盐添加可以有效降低卷烟的焦油量[7,17-19].也有很多学者从卷烟辅料如接装纸等辅料入手，分析接装纸打孔参数对卷烟烟气中焦油释放量的影响[8]。随着再造烟叶的出现和发展，其作为卷烟中的一种原料，吸烟了很多学者的关注。再造烟叶具有多孔性、可调节性，焦油释放量自有优势，却面临着CO释放量偏高的问题，因此许多学者更多地关注于如何降低其CO释放量[9-10]，而对进一步降低其焦油释放量则较少研究。

再造烟叶制备过程可调可控，工艺参数如打浆度、定量、钾盐、碳酸钙用量对PRT的焦油释放量有较大的影响，集成了打浆度、定量和碳酸钙因素后的PRT样品的焦油释放量降低了50 %以上，将其掺配到卷烟中，可使卷烟的焦油释放量大幅降低。因此，可综合考虑经济因素、工艺条件，在保证PRT感官效果的情况下，适当采用这些具有降焦效果的技术条件来降低PRT的焦油释放量，并掺配于卷烟中实现“减害降焦”这一目标。

4 结 论

通过对再造烟叶整个制备过程中的原料、工艺及助剂等影响因素进行考察，逐步开展降低PRT焦油释放量的研究。综合各项结果，所选择的考察因素对再造烟叶的焦油释放量均有影响，其中以打浆度、定量、外加纤维比例、钾盐及碳酸钙对造纸法再造烟叶的焦油释放量的影响更为显著；原料梗叶比例及涂布率对造纸法再造烟叶的焦油释放量也有一定影响，在梗叶比为2∶1时再造烟叶的焦油释放量相对较低，涂布率与焦油释放量之间呈显著正相关关系。