關鍵工序對造紙法再造煙葉主要化學成分的影響

王茹楠 李曉瑜 張利濤

摘要 為研究生產過程中關鍵工序對造紙法再造煙葉主要化學成分（常規成分和主要細胞壁物質）的影響，采用連續流動分析法和洗滌劑法分析在制品固形物中主要化學成分的變化規律。結果表明：煙梗的鉀、氯和纖維素含量高于煙末，總堿和半纖維素含量低于煙末，針葉木、闊葉木的主要成分為纖維素和半纖維素。洗梗會降低煙梗中61%～77%的常規成分，且鉀、氯的溶出量高于水溶性總糖和總植物堿，提取段可溶物主要在1、2級提取過程中溶出。在制漿抄造工序，漿料中常規成分溶出較少，制漿會降低半纖維素含量，抄造過程中約19%漿料流失。涂布能提高樣品中常規成分含量，降低細胞壁物質含量，是調控產品感官質量的主要工序，涂布后工序對在制品的主要化學成分影響較小。控制關鍵工序的主要化學成分對調控產品質量具有重要意義。

關鍵詞 造紙法再造煙葉;關鍵工序;常規成分;細胞壁物質

Abstract In order to study the effects of key processes on the main chemical components in papermaking reconstituted tobacco，the change laws of conventional components were determined by continuous flow analytical method，and the change laws of main cell wall materials were determined by detergent method.The results showed that the contents of potassium，chloride and cellulose in tobacco stems were higher than that of tobacco dust，while the contents of total plant alkali and hemicellulose content were lower than that of tobacco dust，and the main chemical components of softwood and hardwood are cellulose and hemicellulose.In the washing stems and extraction process，washing stems reduced 61%-77% of the conventional ingredients，the dissolved amount of potassium and chloride was higher than soluble total sugar and total plant alkali，and soluble substances were mainly dissolved in the 1st and 2nd stages of extraction process.In the pulping and papermaking process，a small amount of conventional components were dissolved，and the pulping reduced the content of hemicellulose in the slurry，about 19% of slurry was lost in the papermaking process.Coating increased the content of conventional components and reduced the content of cell wall materials，which was the main process for regulating the sensory quality of the product，and the postcoating process had little effect on the main chemical components.Controlling the main chemical components of key processes was important for regulating product quality.

Key words Papermaking reconstituted tobacco;Key processes;Conventional components;Cell wall materials

造紙法再造煙葉在降焦減害、調控卷煙化學成分等方面具有天然煙葉不可比擬的優勢，是目前國內外煙草行業研究和關注的重點[1]。煙草中化學成分在煙草內在質量評價中扮演著重要的角色，是決定煙草品質好壞、煙草特征性香味的關鍵性因素，而且它們具有含量高或者典型的特點[2]，化學成分與煙草質量關系的研究也一直是煙草化學家關注的主題。煙草的常規化學成分包括水溶性總糖、總植物堿、氯和鉀等指標，其含量與煙草的感官質量具有一定的相關性[3]。此外，細胞壁物質為煙草葉片提供結構性框架，占植物所有多糖的50%以上，在再造煙葉中甚至占總質量的33.3%以上[4]，煙草細胞壁物質中半纖維素、纖維素和木質素是一類結構相對穩定的不溶性物質，會對煙草內在品質和風味產生不利影響[5-6]，目前對煙草成分的分析除了常規成分外，越來越多的學者開始關注細胞壁物質對煙草質量的影響。

由于國內造紙法再造煙葉起步較晚，關于再造煙葉的研究主要集中在產品開發、過程控制、工藝優化等方面來改善其抽吸品質[7-8]。造紙法再造煙葉的生產工藝涉及到備料、提取、濃縮、制漿、抄造、涂布、切片等多個關鍵工序，不同工序對產品的質量特性具有不同的作用[9]，較少有人針對造紙法再造煙葉生產過程中關鍵工序在制品的化學成分進行全面系統的研究。筆者通過對再造煙葉關鍵工序在制品的常規化學成分、纖維素、半纖維素和木質素的變化情況進行系統研究，分析主要化學成分的傳遞規律，旨在為再造煙葉生產過程質量控制、產品設計提供數據支撐，為保證產品質量穩定性和探尋再造煙葉感官質量缺陷提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

1.1.1 材料。某型號再造煙葉生產線關鍵工序在制品。造紙法再造煙葉生產工藝流程如圖1所示。分別對煙梗和洗后煙梗、煙末、1級擠干機漿、2級擠干機漿、3級擠干機漿、制漿后、配漿后、抄造后、片基干燥后、涂布后、切片后的樣品同時取樣，形成一組樣品，研究所涉及的含量均按絕干計。

1.1.2 試劑。乙酸、氫氧化鈉、氯化鈣、鹽酸、羥基苯甲酸酰肼、氯化鈉、磷酸氫二鈉、硼酸鈉、硫酸鉀、苯、乙醚、乙二醇乙醚、正辛醇、丙酮、濃硫酸、乙醇、十二烷基硫酸鈉、乙二胺四乙酸二鈉，均為AR級，購自天津市凱通化學試劑有限公司;四硼酸鈉、十六烷基三甲胺溴，均為AR級，購自鄭州派尼化學試劑廠;無水磷酸氫二鈉、石英砂，均為AR級，購自國藥集團化學試劑有限公司;α-高溫淀粉酶，活性40 kU/g，購自山東隆科特酶制劑;Brij35溶液購自德國布朗盧比公司。

1.1.3 儀器。高速粉碎機（XT-100，永康市紅太陽機電有限公司）;連續流動化學分析儀（AA3型，德國布朗盧比公司）;纖維素分析儀（Fibertec2010型，丹麥FOSS公司）;電熱鼓風干燥箱（101型，北京中興偉業儀器有限公司）;馬弗爐（SX-4-10，北京市永光明醫療儀器廠）;分析天平（AB204-S，感量0.1 mg，瑞士METTLER TOLEDO公司）;DZTW電加熱套（北京市永光明醫療儀器廠）。

1.2 方法

將生產過程中各在制品的樣品烘干、粉碎后過40目篩，進行主要化學成分的測定。水溶性總糖、總植物堿、氯和鉀分別依據煙草行業標準YC/T 159—2002[10]、YC/T 160—2002[11]、YC/T 162—2002[12]、YC/T 217—2007[13]進行測定。細胞壁成分依據YC/T 347—2010[14]測定樣品中的中性洗滌纖維（NDF）、酸性洗滌纖維（ADF）和酸性洗滌木質素（ADL）的含量。其中，ADL可近似看作木質素的含量，纖維素和半纖維素的含量分別依據以下公式計算：纖維素含量=酸性洗滌纖維含量-酸性洗滌木質素含量;半纖維素含量=中性洗滌纖維含量-酸性洗滌纖維含量。

2 結果與分析

2.1 再造煙葉原料中主要化學成分的含量

再造煙葉生產過程中的主要原料為煙梗和煙末，由于煙草漿料組分的特殊性，在抄造過程中不能保證紙機運行的穩定性，通常需要添加適當比例的外纖（針葉木漿、闊葉木漿）來解決此問題。對混配后的煙梗、煙末以及兩種外纖樣品的主要化學成分進行分析，測定結果如表1所示。

由表1可知，煙末和煙梗中水溶性總糖含量為11%～13%，且煙梗中水溶性總糖含量高于煙末。此外，煙梗中鉀、氯和纖維素的含量均高于煙末，尤其是鉀和纖維素含量，分別是煙末相應含量的2.5和2.1倍。煙梗中總堿和半纖維素含量均低于煙末，分別占煙末相應成分的25%和15%。由此推斷，煙梗吸食品質不如煙末，可能與煙梗中鉀、氯和纖維素含量較高，總植物堿和半纖維素含量較低有關。

針葉木和闊葉木中常規化學成分含量均較低，均未檢出鉀，總糖含量不足0.5%，總堿和氯含量不足0.1%，含量均低于相應的檢測限，可視為未檢出。針葉木和闊葉木中主要成分為纖維素和半纖維素，其中二者的纖維素含量差別較小。闊葉木的半纖維素含量達到6.4%，約是針葉木半纖維素含量的1.4倍。

木質素是樣品經酸性洗滌劑洗滌后的不溶物再經72% H2SO4消化得到的，由于該方法不檢測酸溶木質素，測定結果相對較小[15-16]。該方法測得的煙梗木質素含量略低于煙末，含量均在2%左右，且未在針葉木和闊葉木檢出木質素。生產所使用的針葉木漿未經完全漂白，闊葉木漿經完全漂白，但在針葉木中未檢出木質素，主要是由于針葉木中木質素在72%H2SO4消化時轉化成酸溶木質素，導致未檢出酸不溶木質素。按照煙梗、煙末、針葉木和闊葉木的配方比例，可計算出原料中總的常規成分和細胞壁大分子物質的含量，原料中水溶性總糖、總植物堿、鉀、氯、纖維素、半纖維素和木質素的含量分別為10.5%、1.4%、2.5%、1.1%、23.1%、3.9%和1.8%。

2.2 關鍵工序固體不溶物中常規化學成分的含量

煙梗組織結構較為緊密，不易吸水膨脹，在提取前通常需要經過單獨的洗梗工序來除去不利成分，并使煙梗潤漲利于后期提取和制漿。生產線的提取工序采用三級逆流提取工藝，關鍵工序在制品的常規化學成分含量變化如圖2所示。

從圖2可以看出，煙梗經過洗梗工序常規成分含量下降，水溶性總糖含量從12.9%下降到4.4%，總植物堿含量從0.6%降至0.2%，鉀含量從4.8%降至1.2%，氯含量從1.8%降至0.4%，分別下降了66%、61%、77%和75%，說明洗梗過程中煙梗的鉀和氯相對水溶性總糖和總植物堿溶出更多。除洗后梗外，在制品的水溶性總糖、總植物堿、鉀、氯含量在涂布前隨著工序推進，漿料中常規化學成分隨水逐漸溶出，含量逐級降低。提取制漿段，在制品的總糖含量低于4.5%，總堿含量為0.1%～0.7%，鉀含量低于1.0%，氯含量低于0.5%。

相對于原料，1級提取后樣品中水溶性總糖、鉀、氯含量均下降了60%，總植物堿含量下降了53%，2級提取后樣品中這4種常規成分相對原料下降了70%～82%，三級提取后樣品中這4種常規成分相對原料下降了82%～90%，制漿后樣品中這4種常規成分相對原料下降了88%～95%。根據這三級提取和制漿后漿料中常規成分的變化梯度，反映出常規成分主要在1級提取和2級提取過程中溶出。

配漿時，漿料中添加10%CaCO3（相對絕干漿），使得片基中常規成分含量更低，抄造后在制品的常規成分含量變化較小。基片若不經過涂布，其水溶性總糖、總植物堿、氯、鉀的含量均不及0.1%，無法為產品提供煙草本香，涂布后樣品中4種常規成分含量快速上升，分別達到6.7%、1.1%、0.8%和2.8%，其中除鉀含量高于原料外，其余3種常規成分含量均低于原料，水溶性總糖、總植物堿和氯含量分別是原料的35.2%、21.9%和28.8%。由此可見，涂布是調控再造煙葉感官質量的關鍵工序，主要通過在涂布液中添加香精香料、糖和檸檬酸鉀來實現。涂布后工序只是改變在制品的尺寸、水分等物理指標，對在制品的常規成分含量的影響極小。

2.3 關鍵工序對在制品纖維素、半纖維素和木質素的影響 分別對關鍵工序中的固體不溶物（纖維素、半纖維素和木質素）的含量進行測定，結果如圖3所示。從圖3可以看出，再造煙葉在制品的纖維素含量為25%～60%，半纖維素含量在8%以下，木質素含量為1.5%～3.0%。煙梗經過洗梗，纖維素含量從21.7%升為58.5%，增加約1.7倍;半纖維素含量與纖維素含量差距較大，含量從0.8%降為0.3%;木質素含量從1.8%降為1.6%。洗梗過程中，煙梗中約42%可溶物溶出，纖維素、半纖維素和木質素不溶于水，理論上這3種成分含量均應增加，但半纖維素和木質素呈下降趨勢，半纖維素含量下降與測定方法有關，其主要是通過中性洗滌纖維與酸性洗滌纖維的差值計算的，煙梗中半纖維素含量較低，受誤差影響較大;木質素含量下降可能與酸溶木質素較多、酸不溶木質素含量較少有關。

浸取工序中，漿料的半纖維素和纖維素含量逐級增加。相對于原料，1級提取后樣品的纖維素含量從23.1%升至37.0%，升高了約60%;木質素含量從1.8%升為2.4%，增加了約33%;半纖維素含量稍有下降。分析這3種細胞壁成分在三級提取過程中的變化梯度，發現樣品中纖維素、半纖維素含量在1級、2級提取后變化較大，與常規成分的變化趨勢一致，再次證實原料中可溶物主要在1級、2級提取時溶出。制漿后，半纖維素含量下降，下降了約21%，纖維素含量變化不明顯，說明制漿工序能除去樣品中部分半纖維素。

配漿后由于漿料中添加CaCO3填料和助留助濾劑，使得纖維素、半纖維素和木質素含量下降，若忽略漿料損失，抄造后基片中纖維素和半纖維素含量應與配漿后漿料相近，但二者含量均增加，配漿后漿料纖維素和半纖維素含量均是抄造后的81%，主要是由于抄造成形過程中細小纖維和CaCO3流失較多，可推斷出約19%漿料在此過程中流失。有研究表明纖維素燃燒過程中熱解生成較多的低級醛類約占主流煙氣中燃燒熱解產物質量的12%，對煙葉吃味有不利影響[17]，半纖維素含量與產品刺激性、燃燒性呈負相關[18]，抄造后基片的纖維素含量達到51.7%，半纖維素含量達到3.5%，對產品感官質量的負面影響太大，需要涂布一定固含量的涂布液改善吸食品質。相對于涂布前，涂布后在制品的纖維素含量下降到27.2%，半纖維素含量下降到1.9%，以涂布率39%計算，涂布后在制品的半纖維素、纖維素含量分別是理論含量的91%和86%，表明涂布是調控產品感官質量的關鍵工序。各工序的木質素含量變化幅度較小（2.2%～2.8%），部分工序木質素含量的變化趨勢與理論趨勢相反，可能與樣品中酸溶木質素變化較大有關。涂布后，樣品的木質素含量降至2.2%左右，是理論含量的1.4倍。

3 結論

（1）再造煙葉的原料中，煙梗的鉀、氯和纖維素含量高于煙末，煙梗中總堿和半纖維素含量均低于煙末，分別占煙末的25%和15%;針葉木、闊葉木的主要成分為纖維素和半纖維素。

（2）洗梗會使煙梗中的常規成分降低61%～77%，且鉀、氯的溶出量高于水溶性總糖和總植物堿，提取段在制品的水溶性總糖、總植物堿、鉀、氯含量隨工序推進，含量逐級降低，可溶物主要在1、2級提取過程中溶出。

（3）在制漿抄造工序，漿料中常規成分溶出較少，制漿會降低半纖維素含量，抄造過程中約19%漿料流失。

（4）涂布能提高樣品中常規成分含量，降低細胞壁物質含量，除鉀、纖維素和木質素外，其余成分含量均比原料低，涂布是調控產品感官質量的關鍵工序，涂布后工序對在制品的主要化學成分影響較小。通過分析關鍵工序再造煙葉在制品的主要化學成分變化，可為原料配方控制和工藝設計提供理論性指導，對于保證再造煙葉產品質量穩定性具有重要的參考價值。

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