蒸汽爆破技术在小茴香秸秆薄片中的应用

孙 毅 卫 青，* 赵晓东

（1.郑州轻工业大学，河南郑州，450002；2.云南瑞升烟草技术（集团）有限公司，云南昆明，650106）

小茴香（Foeniculum vulgare Mill.）为伞形科（Umbelliferae）茴香属（Foeniculum）草本植物，又名茴香，其嫩叶可作蔬菜食用，果实可入药或调味用，在我国各省区均有种植［1］。作为一种可在干旱贫瘠土地上种植的经济作物，小茴香是我国西北干旱少雨地区农村一项重要经济来源。小茴香果实成熟采收后，其秸秆通常被农民用于焚烧，这会产生一定的空气污染及火灾危害。我国已有对小茴香秸秆加以利用的相关公开专利，如生产熏香和蚊香［2-3］，也有相关研究人员利用造纸法工艺开发生产小茴香秸秆薄片［4-5］。小茴香秸秆的综纤维素含量较高，可满足造纸法基片成形要求。但是与烟梗相比，小茴香秸秆的半纤维素和木质素含量较高［6］。与烟草原料制造的薄片相比，采用传统造纸法工艺加工制得的小茴香秸秆薄片存在发脆、易掉粉、柔软度差等缺点，在卷烟制丝工序中分切时易跑片，加工困难。为解决该问题，已有研究人员研究了酶促打浆对小茴香秸秆浆性能的影响［7］。蒸汽爆破法是一种物理制浆方法，在不使用化学药品的前提下能有效实现木质纤维化学组分的降解及分离，生产效率高，无污染且能耗低，是近年来快速发展的一种制浆方法［8］。蒸汽爆破主要是利用高温高压水蒸气处理纤维原料，通过瞬间泄压方式实现原料纤维的组分分离和结构变化［9］。李力等［10］对烟梗进行蒸汽爆破处理，降低了烟梗中半纤维素和木质素的含量。宋光富等［11］对烟梗进行蒸汽爆破处理后，烟梗的显微组织结构发生了变化。本研究采用蒸汽爆破对小茴香秸秆进行处理，初步探索蒸汽爆破工艺条件，并对蒸汽爆破前后纤维的物理性能及化学结构变化加以分析，为蒸汽爆破法在小茴香秸秆制浆工艺方面的应用提供一定的理论依据，使其更加适用于造纸法薄片生产，实现小茴香薄片制品的产业化应用。

1 实 验

1.1 材料

1.1.1 研究对象

小茴香秸秆购于宁夏海原。

1.1.2 主要试剂及辅材

氢氧化钠、苯、乙醇、硝酸、亚氯酸钠、冰醋酸、盐酸、硫酸、草酸、溴酸钠、溴化钠、硫代硫酸钠、硝酸钙、碘化钾、碘酸钾，分析纯，广东汕头市西陇化工厂；轻质碳酸钙，谢菲尔考克（杭州）有限公司；烟管取自云南某卷烟品牌。

1.1.3 主要仪器

天平，梅特勒-托利多仪器（中国）有限公司；电脑抗张试验机，杭州品享科技有限公司；电脑测控厚度仪，四川长江造纸仪器有限责任公司；快速凯塞法抄片器BBS-2，德国ERNST HAAGE公司；LEICA DM2500P显微镜，德国LEICA MIROSYSTEMS CMS GMBH公司，配备LEICA DFC425数码摄相头；JSM-35CF型扫描电子显微镜（SEM），日本电子公司；瓦利打浆机，陕西科技大学机械厂；QS-5烟叶切丝机，开封捷利器材厂；马弗炉，上海东星建材试验设备公司；爆破设备，宁夏福泽植物科技有限责任公司。

1.2 实验方法

1.2.1 蒸汽爆破处理

将400 kg小茴香秸秆原料切至2～3 cm，浸入常温水5 min后滤水，取样测水分（25%～30%），然后装入爆破器的直立高压筒内，通入饱和水蒸气，至压力达到0.3 MPa，保持8 min，使水分充分浸润原料内部，放空排放废气。再次进行蒸汽加压后并保压，蒸汽压力分别为（0.8、1.0、1.2、1.5 MPa）、保压时间为（1、3、5 min），然后迅速打开放料阀，将物料喷放到储料罐中。对储料罐内的爆破料均匀取样，置于105℃的烘箱中干燥24 h，取出待用。

1.2.2 检测方法

1.2.2.1 样品收集

将小茴香秸秆原料及爆破料分别风干粉碎，取过40目而不过60目筛的粉末作为样品，用于化学成分分析。

1.2.2.2 打浆及抄片

将小茴香秸秆原料及爆破料分别用瓦利打浆机进行打浆至48°SR。打浆后浆料经过疏解，然后加入相对原料绝干质量10%的轻质碳酸钙，按定量80 g/m2、采用快速凯塞法抄片器抄制成基片，干燥后的基片置于温度（22±1）℃、相对湿度（60±2）%的平衡室中平衡48 h。

1.2.2.3 物理性能测定

对平衡后的基片进行定量、厚度、抗张强度、水分、灰分的检测［12］。

1.2.2.4 化学成分测定

对平衡后的基片进行多戊糖、热水抽出物、苯醇抽出物、纤维素、综纤维素、半纤维素、酸不溶木素等含量的检测。

1.2.2.5 显微组织结构分析

采用LEICA DM2500P显微镜对打浆后的浆料纤维进行显微分析，采用JSM-35CF型扫描电子显微镜对基片横切面的纤维组织结构进行分析。

1.2.2.6 卷烟阴燃速率测定

分别将各样品切丝，以相同填充度和烟管卷成烟支，在温度（22±1）℃和相对湿度（60±2）%的平衡室中平衡48 h，将卷烟样品以相同方式点燃，距烟支燃烧端5 mm处开始计时。当燃烧达45 mm处时，所需阴燃时间为T（s），计算其燃烧速率B=40/T（mm/s）。平行实验5次后取其平均值。

1.2.2.7 感官评吸

请感官评吸人员依据卷烟感官质量技术要求［13］对平衡后的卷烟进行感官评价。

2 结果与讨论

2.1 蒸汽爆破压力的确定

蒸汽爆破过程是先将小茴香秸秆原料进行高温软化，削弱纤维间的结合后突然减压，此时水蒸气的急速膨胀作用可导致木质纤维中的综纤维素部分降解成可溶于水的小分子物质，蒸汽压力对蒸汽爆破效果有最直接和最明显的影响。

通过直观分析（表1）和方差分析（表2）可以看出，保压时间对综纤维素含量影响不显著，为便于操作，保压时间选定为3 min。而蒸汽爆破时的蒸汽压力对综纤维素含量的影响显著，爆破时的蒸汽压力与综纤维素含量负相关，为充分保留利用综纤维素，爆破时蒸汽压力以低压为宜。对保压3 min的爆破原料所抄造基片进行的感官评价结果如表3所示。

表1 不同蒸汽压力、保压时间下综纤维素含量 %

表2 综纤维素含量方差分析

表3 不同蒸汽压力处理条件下基片的感官评吸结果

从表3可看出，蒸汽压力越高，样品感官品质越差。主要原因是过高温度的蒸汽会使纤维发生炭化，蒸汽压力越高，纤维炭化程度越大，抽吸时枯焦气息越明显，烟气刺激明显增大。

图1 蒸汽爆破前后小茴香秸秆纤维显微镜图（×100）

图2 蒸汽爆破前后基片表面SEM图（×500）

综合表1和表3结果分析，爆破时蒸汽压力以0.8 MPa较适宜，但实际生产时此压力偏小，易导致喷放出料时堵塞管道，故选取1.0 MPa作为适宜蒸汽压力。后续对小茴香秸秆蒸汽爆破后的研究均采用蒸汽压力1.0 MPa、保压3 min的工艺条件。

2.2 蒸汽爆破前后纤维形态变化

小茴香秸秆经蒸汽爆破并打浆至48°SR后纤维的变化对比如图1所示。

由图1可知，经蒸汽爆破处理后，原来硬挺、呈针状的纤维发生一定的弯曲，粗大的纤维组织部分疏解分散，同时产生了一些小的纤维碎片。

蒸汽爆破前后基片表面SEM图如图2所示。通过观察图2可发现，未经蒸汽爆破处理的小茴香秸秆纤维挺硬成束，表面光滑，纤维之间排列紧密有规则；而经蒸汽爆破处理后，纤维组织结构经孔隙中的气体急剧膨胀而受到不同程度的破坏，纤维束分离松散并膨胀，纤维表面被撕裂并出现许多碎片和裂纹。

2.3 蒸汽爆破前后纤维化学成分变化研究

小茴香秸秆经蒸汽爆破处理后各化学成分的变化如表4所示。

从表4可看出，小茴香秸秆中各化学成分对蒸汽爆破的敏感度不同，处理后各化学成分含量的变化也不相同。蒸汽爆破处理后，热水抽提物、苯-醇抽提物含量增加。蒸汽爆破使纤维细胞间分离及细胞壁破裂，导致爆破后小茴香秸秆所含的脂肪、蜡质、单宁、色素等更易被热水、苯-醇等抽出，同时综纤维素部分降解成可溶于水的小分子化合物。爆破后物料中的综纤维素含量降低了8.1%，同时纤维素含量在综纤维素含量中的比例由50%增加至55.3%，说明蒸汽爆破主要造成半纤维素的降解，这与半纤维素含量15.8%降幅趋势相一致；同时，多戊糖作为半纤维素的一种主要成分，在爆破后并未随半纤维素降解减少，反而增多，说明半纤维素在爆破时发生的降解多发在非多戊糖部分的六碳糖降解。蒸汽爆破后酸不溶木质素含量相对略有增加，说明蒸汽爆破对多糖化合物的降解更多，综纤维素占比的减少导致了酸不溶木质素占比的增加。而木质素作为一种由氧代苯丙醇或其衍生物结构单元构成的复杂芳香性高聚物，目前尚无有效的物理方法对其加以降解处理。

2.4 蒸汽爆破前后纤维物理性能差异

小茴香秸秆经蒸汽爆破处理后再打浆，打浆参数如表5所示。由表5可看出，达到同样的打浆度，蒸汽爆破后的浆样所需打浆时间大幅缩短。蒸汽爆破使纤维发生了分丝与细纤维化、纤维细胞间分离、细胞壁破裂，这大大提高了纤维的可塑性，爆破后的纤维更容易打浆，有利于提高生产效率及降低能耗。

将蒸汽爆破处理后的小茴香秸秆纤维抄造成基片后，测量其物理指标，并与未爆破处理基片进行对比，结果如表6所示。

表4 蒸汽爆破对小茴香秸秆主要化学成分的影响

表5 蒸汽爆破对打浆参数的影响

表6 蒸汽爆破对基片物理指标的影响

经蒸汽爆破处理，纤维分丝及细纤维化程度增大，纤维间结合面积增大及结合力增强，基片抗张强度有显著提升，松厚度由3.58 cm3/g降低到3.43 cm3/g，但蒸汽爆破处理对其燃烧速率无影响。同时，用经蒸汽爆破处理后的原料抄造的基片，其手感松软，表面纤维分布均匀，不易掉毛。

2.5 蒸汽爆破前后小茴香秸秆基片感官评价

将蒸汽爆破后处理前后的浆料抄造成基片，涂布香料烘干后，切丝卷制成纯小茴香烟支进行感官评价，结果如表7所示。

表7 蒸汽爆破前后样品感官评吸结果

3 结 论

对小茴香秸秆进行蒸汽爆破处理，蒸汽压力对纤维化学成分及纤维形态有显著影响，较适宜的蒸汽压力为1.0 MPa，保压时间为3 min，此时综纤维素和半纤维素的降幅分别达到8.1%和15.8%。小茴香秸秆经过蒸汽爆破处理后并打浆，其纤维分离效果明显，纤维结合强度、打浆效果及抄造性能有效提升。将蒸汽爆破后的浆料制成基片可削弱小茴香特征香气、杂气及热辣感，同时会引入枯焦气息，但其总体感官品质较未爆破处理浆料制成的基片略有提高。