碳酸鈣對煙草薄片品質(zhì)的影響

徐菲菲 李東亮 田海龍

摘要：旨在探討不同碳酸鈣添加量對成品煙草薄片的物理強度、燃燒性能、煙氣常規(guī)及感官品質(zhì)的影響。通過碳酸鈣的反添加試驗，制備6種不同碳酸鈣含量的煙草薄片，并測定其填充值、片基抗張強度、常規(guī)煙氣成分和薄片燃燒裂解性能，然后通過感官評定試驗對其抽吸品質(zhì)進行評價。結(jié)果表明，隨著碳酸鈣添加量的增加，留著率從55.6%下降至50.0%以下;煙氣水分含量從2.17 mg/支下降到1.36 mg/支;煙草薄片片基抗張強度從1.17 kN/m2下降到 0.55 kN/m2;煙草薄片的填充值在碳酸鈣添加量為15%時達到最大值，為5.38 cm3/g;總粒相物含量從10.05 mg/支下降到7.56 mg/支，焦油含量從7.53 mg/支下降到6.16 mg/支，一氧化碳含量從17.51 mg/支下降到13.49 mg/支。熱重分析結(jié)果表明，碳酸鈣的加入使煙草薄片熱失質(zhì)量的第2、3階段失質(zhì)量百分比下降，第4階段的失質(zhì)量百分比上升，灰分增加。感官評吸結(jié)果表明，碳酸鈣添加量為15%時，評分最高，為79.8分。碳酸鈣的添加會降低煙氣水分含量，有利于降低主流煙氣焦油、一氧化碳含量，但會導致碳酸鈣留著率、薄片抗張強度降低。碳酸鈣的添加對感官評吸品質(zhì)中的煙氣濃度、細膩程度、香氣量產(chǎn)生較大影響，但對干燥感、刺激性的影響不大。

關(guān)鍵詞：煙草薄片;碳酸鈣;煙氣水分;感官評定

煙草薄片是利用煙梗、煙末、碎煙片等卷煙生產(chǎn)過程中的廢棄物與植物纖維進行重新組合而成的產(chǎn)品，也稱為再造煙葉。根據(jù)中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)發(fā)布的《2014—2019年中國肥料市場分析預測及投資戰(zhàn)略咨詢報告》，我國每年的煙草產(chǎn)量有300多萬t，煙草生產(chǎn)過程中有20%～30%的原料為廢次煙葉[1]，每年都有巨大產(chǎn)量的廢次煙草被當作垃圾拋棄，給環(huán)境帶來污染的同時，也造成了自然資源的極大浪費[2]。

目前，造紙法生產(chǎn)煙草薄片主要采用二步法，包括萃取濃縮、打漿抄造、涂布干燥等工序。不同于天然煙葉，由于經(jīng)過再造工藝，煙草薄片的化學組成和物理結(jié)構(gòu)等都可以實現(xiàn)方便的調(diào)節(jié)。曾健等研究壓榨對煙草薄片片基性能的影響發(fā)現(xiàn)，隨壓榨力的增加（0～4 MPa），煙草薄片片基松厚度從2.43 cm3/g下降到1.80 cm3/g[3]。高文花等在薄片涂布工藝中加入流變助劑，發(fā)現(xiàn)隨著羧甲基纖維素鈉（CMC）、陽離子瓜爾膠（CGG）添加量增加，涂布液黏度顯著增加，而成品薄片的松厚度、透氣度下降[4]。靖德軍等研究涂布率對煙草薄片的影響發(fā)現(xiàn)，隨著涂布率提高，總糖、還原糖、煙堿、鉀和氯含量成比例升高，而填充值則降低[5]。王建民等研究發(fā)現(xiàn)，烤煙煙葉的吸濕含水率、解濕含水率與其總糖含量、還原糖含量、pH值間呈極顯著正相關(guān)，與鉀含量呈極顯著負相關(guān)，吸濕含水率與總氮含量呈極顯著負相關(guān)，解濕含水率與總氮含量呈顯著負相關(guān);含水率與其各化學指標的灰色關(guān)聯(lián)度從大到小排序均為總糖含量、還原糖含量、pH值、氯含量、煙堿含量、總氮含量、鉀含量[6]。關(guān)于煙草中鉀、氯對平衡含水率的影響，除了含鉀、氯鹽類的水合吸濕作用外，一般認為氯含量與煙草生長期糖分的積累和轉(zhuǎn)化有關(guān)，進而影響平衡含水率[7]。此外，煙草中的粗纖維含量與平衡含水率呈正相關(guān)[8]。

碳酸鈣加入煙草薄片的制造工藝借鑒于造紙工業(yè)，其首要目的是降低成本。然而目前關(guān)于碳酸鈣對煙草薄片品質(zhì)影響的系統(tǒng)研究還鮮有報道。本研究通過碳酸鈣的反添加試驗，考察不同碳酸鈣添加量對成品煙草薄片填充值、片基抗張強度、常規(guī)煙氣成分和薄片燃燒裂解性能的影響。再通過對不同碳酸鈣添加量的煙草薄片進行感官評吸，綜合各個指標，確定合適的碳酸鈣添加量，以期為用廢次煙草制備煙草薄片過程中的品質(zhì)提升提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 試驗材料 煙草薄片樣品，購自山東瑞博斯煙草有限公司及安徽中煙工業(yè)有限責任公司;輕質(zhì)碳酸鈣、硝酸（優(yōu)級純）、氧化鑭異丙醇（分析純），購自國藥集團化學試劑有限公司;殼聚糖，購自浙江金殼藥業(yè)有限公司;瓜爾膠，購自上海馳為實業(yè)有限公司;劍橋濾片，購自德國博瓦特凱希公司;孔徑為0.45 μm的有機濾膜，購自上海興亞凈化材料廠。

1.1.2 試驗儀器 DHG-9140A型電熱鼓風干燥箱，產(chǎn)自上海一恒科學儀器有限公司;HYS-B型恒溫水浴搖床，產(chǎn)自常州市金壇精達儀器制造有限公司;PL6-E型紙張抄造機，產(chǎn)自咸陽泰思特試驗設備有限公司;HWS-150型恒溫恒濕培養(yǎng)箱，產(chǎn)自上海森信試驗儀器有限公司;XMTA型馬弗爐，產(chǎn)自上海實驗儀器總廠;TLQS型切絲機，產(chǎn)自濟南同力科技開發(fā)有限公司;DC-KZ300C型抗張強度測試儀，產(chǎn)自四川長江造紙儀器有限公司;DD60AB型填充值測定儀、RM200A型吸煙機，產(chǎn)自德國博瓦特凱希公司，由安徽中煙工業(yè)有限責任公司技術(shù)中心提供;AA-240型原子吸收分光光度計，產(chǎn)自美國瓦里安公司;HP6890A/5975C型氣質(zhì)聯(lián)用儀，產(chǎn)自美國安捷倫公司;STA449C型熱重分析儀，產(chǎn)自德國耐馳公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 不同碳酸鈣含量煙草薄片的制備 （1）混合漿料的制備條件。將煙梗、煙末、木漿質(zhì)量比設為 45 ∶ 45 ∶ 10，打漿濃度（溶液中纖維等固形物的總含量）為4%，打漿度為（22±2）°SR。（2）抄造方法。將輕質(zhì)碳酸鈣配制成含量為10%的懸濁液，吸取不同體積的懸濁液加入打好漿的漿料中，以使碳酸鈣含量分別為總漿料（干基）含量的10%、15%、20%、25%、30%;以不加碳酸鈣的作為空白，加入1‰殼聚糖、2‰瓜爾膠作為助劑。調(diào)整總漿料用量，使片基定量為（60±1） g/m2。（3）涂布。按照工廠生產(chǎn)工藝以37%的涂布率先進行切絲，再將涂布液稀釋，均勻噴灑在絲狀紙基表面。涂布后，于120 ℃烘箱中烘至水分含量為12%。

1.2.2 煙草薄片片基及成品薄片中鈣含量的測定 總鈣含量的測定參照YC/T 174—2003《煙草及煙草制品 鈣的測定 原子吸收法》;游離鈣離子含量的測定參考文獻[9];碳酸鈣含量的測定參考文獻[10]，并作如下修改：以總鈣含量減去游離鈣含量表示碳酸鈣含量，總鈣含量與游離鈣含量均用原子吸收法測定。結(jié)合測定結(jié)果，以總鈣含量近似計算得到碳酸鈣含量。

煙堿是卷煙勁頭的主要來源， 同時也是吸煙成

癮的主要原因。適量的煙堿可以產(chǎn)生適當?shù)纳韽姸?，帶來好的香氣與吃味。煙堿含量過低則吃味平淡，勁頭小;含量過高又會使刺激性增強，產(chǎn)生辛辣味[24]。如圖7所示，當碳酸鈣添加量為10%時，煙草薄片煙氣中的煙堿含量有小幅度升高，而后降低。碳酸鈣的加入可以使煙草薄片的pH值增大，從而使煙草薄片中的煙堿更容易轉(zhuǎn)移至煙氣中，這可能是低添加量的碳酸鈣使煙氣煙堿含量增加的原因。當碳酸鈣含量繼續(xù)增加時，其對煙氣的發(fā)散作用增大，從而使進入主流煙氣的煙堿含量降低。

煙堿含量的降低可能帶來抽吸勁頭下降，滿足感降低。但有研究發(fā)現(xiàn)，隨著碳酸鹽添加量的增加，雖然煙氣煙堿含量降低，但是游離煙堿含量卻升高，使得勁頭增大[25]。這是由于碳酸鹽使煙草葉片pH值升高，隨后造成煙氣pH值升高，更多煙堿轉(zhuǎn)化為游離態(tài)[26]。由此可見，關(guān)于碳酸鈣對煙草薄片煙氣勁頭的影響還有待進一步研究。

2.6 碳酸鈣對煙草薄片熱失質(zhì)量行為的影響

煙草薄片的煙氣特性和感官屬性與其燃燒、裂解特性密切相關(guān)。空白煙草薄片的TG-DTG（熱重-熱重一階導數(shù)）曲線如圖8所示，各樣品的失質(zhì)量峰值溫度（Tp）、失質(zhì)量百分比（Δm）及最大失質(zhì)量速率（Rm）見表2。

由圖8中的TG、DTG曲線可知，煙草薄片的熱失質(zhì)量分為4個階段：（1）20～130 ℃階段，主要是樣品中水分的散失及小分子易揮發(fā)物的揮發(fā)。（2）130～350 ℃階段，失質(zhì)量率為49.1%，由171 ℃左右的肩峰和280 ℃左右的主失質(zhì)量峰組成。其中，171 ℃的肩峰主要是葡萄糖、果糖的初步裂解，280 ℃ 的主失質(zhì)量峰由纖維素、半纖維素、果膠、木質(zhì)素等大分子物質(zhì)裂解形成，葡萄糖、果糖的二次裂解也有一定貢獻[27]。半纖維素、果膠相比于纖維素具有明顯的無定型結(jié)構(gòu)、易發(fā)生熱裂解等特點，一般在200 ℃就開始分解，并且其分解溫度范圍較窄，在纖維素、木質(zhì)素分解的初始階段，大部分半纖維素、果膠已分解。木質(zhì)素則較難降解，并且其分解溫度范圍寬，殘留質(zhì)量大[28]。（3）350～540 ℃階段，峰值溫度為380.15 ℃，失質(zhì)量率為31.6%，主要為第2階段裂解產(chǎn)物的氧化燃燒[29]。（4）540 ℃以上階段，為結(jié)炭過程[30]，在煙草薄片樣品中主要體現(xiàn)為碳酸鈣的分解失質(zhì)量。

如表2所示，碳酸鈣的加入主要影響熱失質(zhì)量的第2、3、4階段，對第1階段揮發(fā)物的揮發(fā)影響較小。隨著碳酸鈣添加量的增加，第2、3階段的失質(zhì)量率有下降趨勢，這主要是因為碳酸鈣的添加取代了可燃的有機物，使得可燃物總量減少，裂解、燃燒量減少，這與煙氣抽吸口數(shù)的下降及焦油、一氧化碳含量下降一致。值得注意的是，可燃性有機物裂解燃燒量的減少，同樣會使由此產(chǎn)生的水分減少，從而在一定程度上降低煙氣的水分含量。碳酸鈣的添加對峰值溫度的影響有限，說明其對有機物燃燒狀態(tài)的影響較小。隨著碳酸鈣添加量的增加，第4階段失質(zhì)量率和失質(zhì)量速率明顯上升，這與更多碳酸鈣的分解有關(guān)。

2.7 碳酸鈣對煙草薄片感官抽吸品質(zhì)的影響

由表3可知，當碳酸鈣添加量為15%時，煙草薄片單料煙抽吸的感官品質(zhì)最好，與碳酸鈣添加量為0相比，評吸總分提高了5.8分;當碳酸鈣添加量較低時，碳酸鈣明顯提高了煙氣的細膩程度、煙氣濃度、香氣量的評分，對木質(zhì)氣也有一定的改善。對刺激性的研究可以發(fā)現(xiàn)，在碳酸鈣添加量為25%和30%時，評分較高，但同時香氣量、煙氣濃度評分下降明顯，說明其對刺激性的改善可能來源于有利、不利煙氣成分的共同減少。

由感官評吸結(jié)果可知，調(diào)整碳酸鈣添加量對煙氣品質(zhì)的提升效果有限，因此有必要同時采取降低刺激性的措施，多效聯(lián)合，共同提升煙草薄片的整體品質(zhì)。

3 討論與結(jié)論

隨著碳酸鈣添加量的增加，煙氣的水分含量明顯降低，當碳酸鈣添加量超過15%時，不利于降低干燥感。碳酸鈣在煙草薄片中的留著率隨著其添加量的增加而降低，煙草薄片的抗張強度也隨碳酸鈣添加量的增加而明顯降低，但從節(jié)約原料、保證強度、增加填充值方面考慮，碳酸鈣的添加量不應過多。隨著碳酸鈣添加量的增加，主流煙氣總粒相物、焦油、一氧化碳、煙堿含量發(fā)生不同程度的降低。碳酸鈣的加入主要對煙草薄片熱失質(zhì)量的第4階段產(chǎn)生影響。由于碳酸鈣分解吸熱，隨著碳酸鈣添加量的增加，分解所需熱量增加，熱量在樣品內(nèi)的傳導也受到一定限制，所以失質(zhì)量峰值溫度向高溫區(qū)移動?？疾鞖埩糍|(zhì)量可以發(fā)現(xiàn)，隨著碳酸鈣用量的增加，煙草薄片燃燒所得殘渣增多，這一方面是由于灰分的增加。另一方面，在生物質(zhì)裂解燃燒時，鈣或氧化鈣的加入使得焦油含量降低的同時，增加了殘?zhí)课颷31]。Piskorz等認為，堿性陽離子會封閉纖維素、半纖維素的自由端，從而阻止焦油產(chǎn)生，促進殘?zhí)课锷蒣32]。Han等研究發(fā)現(xiàn)，氧化鈣可以促進焦油向殘?zhí)课锏霓D(zhuǎn)變[23]。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著碳酸鈣添加量的增加，最大熱失質(zhì)量速率及失質(zhì)量率上升，灰分及殘?zhí)课镌黾印?/p>

在各個感官評吸指標中，碳酸鈣的添加對煙氣濃度、細膩程度、香氣量產(chǎn)生較大影響;對干燥感、刺激性的影響不大。因此，在本研究的基礎(chǔ)上，還需要進一步探尋改善煙草薄片的干燥感、降低刺激性的方法和措施。

致謝：安徽中煙工業(yè)有限責任公司技術(shù)中心以及感官評吸專家組的各位評價員對本研究給予了幫助，謹致謝意！

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