碳酸鈣對煙草薄片品質的影響

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、煙氣常規及感官品質的影響。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進行評價。結果表明，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。熱重分析結果表明，碳酸鈣的加入使煙草薄片熱失質量的第2、3階段失質量百分比下降，第4階段的失質量百分比上升，灰分增加。感官評吸結果表明，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中的煙氣濃度、細膩程度、香氣量產生較大影響，但對干燥感、刺激性的影響不大。

關鍵詞：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、碎煙片等卷煙生產過程中的廢棄物與植物纖維進行重新組合而成的產品，也稱為再造煙葉。根據中國產業信息網發布的《2014—2019年中國肥料市場分析預測及投資戰略咨詢報告》，我國每年的煙草產量有300多萬t，煙草生產過程中有20%～30%的原料為廢次煙葉[1]，每年都有巨大產量的廢次煙草被當作垃圾拋棄，給環境帶來污染的同時，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，由于經過再造工藝，煙草薄片的化學組成和物理結構等都可以實現方便的調節。曾健等研究壓榨對煙草薄片片基性能的影響發現，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，發現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現，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]。王建民等研究發現，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，與鉀含量呈極顯著負相關，吸濕含水率與總氮含量呈極顯著負相關，解濕含水率與總氮含量呈顯著負相關;含水率與其各化學指標的灰色關聯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化有關，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[8]。

碳酸鈣加入煙草薄片的制造工藝借鑒于造紙工業，其首要目的是降低成本。然而目前關于碳酸鈣對煙草薄片品質影響的系統研究還鮮有報道。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有限責任公司;輕質碳酸鈣、硝酸（優級純）、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，購自浙江金殼藥業有限公司;瓜爾膠，購自上海馳為實業有限公司;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，產自上海一恒科學儀器有限公司;HYS-B型恒溫水浴搖床，產自常州市金壇精達儀器制造有限公司;PL6-E型紙張抄造機，產自咸陽泰思特試驗設備有限公司;HWS-150型恒溫恒濕培養箱，產自上海森信試驗儀器有限公司;XMTA型馬弗爐，產自上海實驗儀器總廠;TLQS型切絲機，產自濟南同力科技開發有限公司;DC-KZ300C型抗張強度測試儀，產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，產自德國博瓦特凱希公司，由安徽中煙工業有限責任公司技術中心提供;AA-240型原子吸收分光光度計，產自美國瓦里安公司;HP6890A/5975C型氣質聯用儀，產自美國安捷倫公司;STA449C型熱重分析儀，產自德國耐馳公司。

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。結合測定結果，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。適量的煙堿可以產生適當的生理強度，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。當碳酸鈣含量繼續增加時，其對煙氣的發散作用增大，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。但有研究發現，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，更多煙堿轉化為游離態[26]。由此可見，關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。空白煙草薄片的TG-DTG（熱重-熱重一階導數）曲線如圖8所示，各樣品的失質量峰值溫度（Tp）、失質量百分比（Δm）及最大失質量速率（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物的揮發。（2）130～350 ℃階段，失質量率為49.1%，由171 ℃左右的肩峰和280 ℃左右的主失質量峰組成。其中，171 ℃的肩峰主要是葡萄糖、果糖的初步裂解，280 ℃ 的主失質量峰由纖維素、半纖維素、果膠、木質素等大分子物質裂解形成，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構、易發生熱裂解等特點，一般在200 ℃就開始分解，并且其分解溫度范圍較窄，在纖維素、木質素分解的初始階段，大部分半纖維素、果膠已分解。木質素則較難降解，并且其分解溫度范圍寬，殘留質量大[28]。（3）350～540 ℃階段，峰值溫度為380.15 ℃，失質量率為31.6%，主要為第2階段裂解產物的氧化燃燒[29]。（4）540 ℃以上階段，為結炭過程[30]，在煙草薄片樣品中主要體現為碳酸鈣的分解失質量。

如表2所示，碳酸鈣的加入主要影響熱失質量的第2、3、4階段，對第1階段揮發物的揮發影響較小。隨著碳酸鈣添加量的增加，第2、3階段的失質量率有下降趨勢，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的影響較小。隨著碳酸鈣添加量的增加，第4階段失質量率和失質量速率明顯上升，這與更多碳酸鈣的分解有關。

2.7 碳酸鈣對煙草薄片感官抽吸品質的影響

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，對木質氣也有一定的改善。對刺激性的研究可以發現，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。

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

3 討論與結論

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、煙堿含量發生不同程度的降低。碳酸鈣的加入主要對煙草薄片熱失質量的第4階段產生影響。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，熱量在樣品內的傳導也受到一定限制，所以失質量峰值溫度向高溫區移動。考察殘留質量可以發現，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，增加了殘炭物[31]。Piskorz等認為，堿性陽離子會封閉纖維素、半纖維素的自由端，從而阻止焦油產生，促進殘炭物生成[32]。Han等研究發現，氧化鈣可以促進焦油向殘炭物的轉變[23]。本研究發現，隨著碳酸鈣添加量的增加，最大熱失質量速率及失質量率上升，灰分及殘炭物增加。

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：安徽中煙工業有限責任公司技術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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