綠色、安全、智能化卷煙包裝的研究進展

張明月，趙銘欽，祝超智，余小領，武云杰，秦艷青，馬曉華，原曉喻

綠色、安全、智能化卷煙包裝的研究進展

張明月1，趙銘欽1，祝超智1，余小領1，武云杰1，秦艷青2，馬曉華3，原曉喻1

（1.河南農業大學，鄭州 450002；2.四川省煙草總公司，成都 610000；3.河南中煙工業有限責任公司，鄭州 450016）

在數字化發展的大背景下，為全面推進綠色包裝、安全包裝、智能包裝一體化發展，對我國卷煙包裝的發展現狀進行了深入探究。一方面，總結分析卷煙包裝材料和卷煙紙技術，以及色譜、光譜等檢測手段在評估包裝材料的環保性能和安全性能上的應用，提供綠色、安全化的策略研究。另一方面，探究數字化技術在自動化生產、真偽卷煙包裝鑒別、產地溯源、質量綜合評價等方面的應用。數字化技術的應用是三位一體的卷煙包裝，尤其是“智能包裝”發展的必然趨勢，將推動煙草包裝行業向更深、更廣的維度發展。

卷煙包裝；卷煙紙技術；綠色包裝；智能包裝；數字化技術

煙草是全世界范圍內的普遍性消費品，而卷煙是當前最常見的煙草制品，占全球煙草制品總量的百分之八十，文中主要討論卷煙包裝。目前世界經濟發展緩慢，控煙政策日益嚴格，2021年世界煙草發展報告顯示全球卷煙總銷量發生下降。加之入世后發達國家實行的綠色貿易壁壘和國外低焦油、高環保卷煙標準對國內市場的沖擊，我國煙草企業若要在嚴峻的競爭市場中占有一席之地，除了關注卷煙品牌與吸味，還需對卷煙包裝提出更嚴格的要求。

《關于加快我國包裝產業轉型發展的指導意見》中指出，包裝工業的發展重點之一是“全面推進綠色包裝、安全包裝、智能包裝一體化發展，有效提升包裝制品、包裝印刷、包裝裝備等關鍵領域的綜合競爭力”，這也是卷煙產品走向世界市場的基本保障。從業人員緊隨時代要求，分別從卷煙紙技術研發、包裝材料安全評估、危害物控制和數字化技術應用等方面進行了深入的探究，有效推動了卷煙包裝行業的發展。

1 卷煙包裝材料

1.1 卷煙透明包裝材料

透明包裝材料是在卷煙煙盒及條盒外包裹的一層薄膜，具有防潮、阻止香氣散失和防偽的作用，它主要有玻璃紙和熱封型雙軸拉伸聚丙烯（BOPP）薄膜2種[1]。BOPP薄膜強度高、穩定性強、透濕透氧率低，印刷效果好，是目前主要使用的透明包裝材料。此外，隨著技術的不斷發展，還出現了隔離阻斷薄膜、收縮緊繃薄膜、防偽薄膜以及印刷薄膜等透明包裝材料。

1.2 卷煙商標紙

商標是制造商加在卷煙產品上的標志，卷煙商標用紙主要有膠版紙、鑄涂紙和白卡紙。防偽和環保是卷煙包裝印刷的重點，目前主要卷煙商標材料有防偽激光鋁卡紙、激光全息轉移紙、BOPP及PET激光彩虹卡紙、鋁箔復合卡紙等。其中防偽激光鋁卡紙和激光全息轉移紙，可降解，綠色環保，符合發展要求。此外，在商標紙中引入功能性材料在滿足一般要求的同時可以賦予其他作用，如通過在商標紙上涂抹焦甜香香精膠囊溶液可以使卷煙煙盒紙達到較好的緩控釋香精效果[2]。

1.3 卡紙和卷煙內襯紙

卡紙位于卷煙包裝盒內，主要起支撐作用，又叫煙舌。材料主要是白卡紙，常見的是在其表面涂布一層金色或者銀色顏料。無異味、更薄、更穩定、更環保是此類材料的發展趨勢。卷煙內襯紙用于卷煙小盒包裝內，有防潮、防霉和保香的作用。壓延鋁箔紙對光、氣和水有很好的阻隔性，是目前應用最廣的內襯紙。此外，真空鍍鋁紙、直接鍍鋁紙以及復合鍍鋁紙也有越來越多的應用。

隨著時代進步和發展需求，更多類型的卷煙包裝材料還需被研發。在環保方面，無毒、無害、易降解、可回收將是卷煙包裝材料關注的重點；此外，卷煙包裝材料還將在防偽、口感、廣告等功能性方面還有待提高，如卷煙商標紙的緩控釋香料性、鋁覆膜使產品更加保潤、二維碼的使用、精美的印刷和外包裝設計等。

2 卷煙紙技術

目前卷煙紙技術主要針對降焦減害和加香保潤2個方面，在降焦減害方面應用較多的是加助燃劑和功能材料（圖1）。在加香保潤方面應用較多的是微膠囊和提取物涂布技術（圖1）。

圖1 卷煙包裝材料及卷煙紙技術

2.1 助燃劑

助燃劑作為卷煙紙的主要添加成分，可以調節煙支的燃燒溫度和燃燒狀態，改變煙氣有害成分的釋放。具體表現為：提高燃燒速率，降低抽吸過程的燃燒溫度，減少抽吸口數，控制煙氣中CO和焦油含量等有害成分的釋放[3-4]。

助燃劑用量和類型能影響卷煙紙的孔隙率[5-7]，改變燃燒速率，其中助燃劑的用量起主要作用。當不改變助燃劑類型，只增加助燃劑用量，可增加卷煙燃燒時的陰燃溫度、加快煙支燃燒速度，有效降低煙氣中有害化學成分的釋放，如煙堿、焦油量、總冷凝物、尼古丁等。此外，助燃劑類型也會對卷煙余味、雜氣和香氣產生影響。楊韌強等[7]將添加了檸檬酸鉀和乳酸鉀助燃劑的卷煙分別進行感官評價，結果表明以檸檬酸鉀為助燃劑的卷煙總體感官品質優于以乳酸鉀為助燃劑的卷煙。

2.2 功能材料

功能材料是指能吸附煙氣中有害成分或能與有害成分發生化學反應的材料。將其應用到卷煙紙上，可以達到選擇性減害的目的。比如MgO或MgOH填料可降低卷煙紙熱解溫度，顯著減少主流煙氣和測流煙氣中的總粒相物含量，進而有效控制卷煙燃燒過程中產生的有害物質。常見的有將部分Mg(OH)2代替CaCO3用作卷煙紙填料[8]，或加入碳酸鈣填料制備卷煙紙[9]。

此外，把香料和經干燥處理的羥基磷酸鈣加入到乙醇中，打漿后涂布于卷煙紙上，制得的卷煙紙具有良好的保潤特性和獨特的奶香味，對NH3和CO等有害成分具有一定的吸附作用，而且，燃燒過程中產生的磷酸酐或磷酸，還具有很好的包灰效果[10]。通過丁烷四羧酸和堿反應制備堿金屬鹽，將其應用到卷煙紙上，可以有效降低主流煙氣中CO和焦油的釋放量，具有較好的減害降焦效果[11]。

2.3 微膠囊

微膠囊技術利用成膜材料將固體或液體包覆，制備成微小粒子[12]。微膠囊包覆高揮發性的香料，使香料成分更加穩定。將微膠囊加入到卷煙紙制備成香煙，香氣成分只在燃吸時釋放出來，具有改善煙氣香味與抽吸品質的作用。微膠囊技術克服了特征性香料難以在卷煙紙上使用的難題。

有研究表明微膠囊通過漿內加填或浸涂的方式與卷煙紙結合，不僅可以提高香料的熱穩定性，還能使煙氣柔和細膩，口感甜潤。微膠囊的粒徑和品類分別對卷煙的透氣度和陰燃速率產生影響[13]。目前卷煙紙中的微膠囊種類已有很多，比如以明膠和阿拉伯膠為原材料制備的沉香精油微膠囊[14]、通過噴霧干燥技術制備的紅棗精油微膠囊[15]，以及茉莉微膠囊[16]，它們都具有很好的緩釋性能和長效作用，明顯的提升了卷煙的理化品質以及感官評價。

2.4 提取物涂布

2.4.1 卷煙增香

將提取物涂布在卷煙紙上，在煙支燃燒過程中提取物通過揮發、以裂解的形式釋放香味成分，起到增香和保潤的作用。胡少東等[17]通過涂布制得雪茄風味卷煙紙，其嗅香和感官評價都優于空白卷煙。

2.4.2 制備彩色卷煙紙

白色卷煙紙容易給煙草消費者帶來視覺疲勞。隨著卷煙紙的升級和包裝行業的發展，彩色卷煙紙順勢而生。大多采用提取物涂布法制備彩色卷煙紙。楊紹文等[18]采用煙草提取物和天然提取物原料制備涂布液，成功開發出適應市場需求的棕色卷煙紙，可有效降低卷煙紙雜氣、增加卷煙香味。張克燦等[19]利用碎煙葉和大麻桿通過清潔的氧堿法技術提取大麻稈芯纖維原料，制得彩色卷煙紙，也具有類似的效果。劉亞等[20]開發了一種具有特殊香氣的彩色卷煙紙涂布液，可以有效代替傳統合成色素，不僅能提高安全性，還能使卷煙產品同時具有視覺和嗅覺的雙重感官感受，并產生了良好的社會效益和經濟效益。

2.4.3 制備低引燃傾向卷煙紙

低引燃傾向（Low Ignition Propensity，LIP）卷煙紙制備的卷煙具有自動熄滅的功能，可有效降低火災發生率，提高安全性。許多國家和地區的法規已明確要求生產和銷售的卷煙必須為LIP卷煙。常見的多為復配阻燃劑或涂層組合物，如LD/APP[21]、黃原膠/有機物[22]，將其涂布在卷煙紙上形成阻燃帶，具有高效阻燃效果，顯著降低著火傾向[23]，且不影響卷煙外觀和吸味，可達到LIP要求。此外，在卷煙紙上涂布甲氧基果膠，使卷煙紙表面形成燃燒抑制區域，也制備低火焰蔓延性能的LIP卷煙紙[24]。

3 煙草包裝材料中的潛在危害物檢測方法及控制措施

隨著卷煙包裝材料種類越來越多，包裝材料的安全性也引發了行業內的廣泛關注。卷煙條與盒包裝紙中的殘留揮發性有機物VOCs、濾嘴接裝紙和成型紙中的熒光增白劑，都會對消費者健康和卷煙品質產生影響。但是關于卷煙包裝中危害物的檢測技術、法規標準、管控手段，目前都還處于起步階段。隨著“低碳經濟”的到來，我國必須抓緊邁入“綠色包裝”“安全包裝”時代。建立高效、靈敏的危害物檢測方法，并提出切實可行的管控措施（圖2），為我國煙草行業卷煙包裝材料的質量控制提供理論依據和技術參考。

圖2 卷煙包裝材料中潛在危害物檢測及控制

3.1 煙草包裝材料中的潛在危害物檢測方法

近年來，各種新型包裝材料、印刷材料和膠黏劑被廣泛應用于煙草行業。煙草包裝材料中常見的VOCs有乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸丁酯、丙二醇甲醚、苯、甲苯、乙苯、二甲苯（鄰、間、對）、異丙苯、苯乙烯和苯甲醛等[25]。當其遷移至卷煙或空氣中，將會影響煙味品質和危害人體健康。煙草行業頒布的YC 263—2008《卷煙條與盒包裝紙中揮發性有機化合物的限量》和YC/T 207—2014《煙用紙張中溶劑殘留的測定頂空–氣相色譜–質譜聯用法》這2項標準對煙草包裝中VOCs的檢測方法和限定含量做出了規定。

3.1.1 氣相色譜法測定卷煙包裝材料中的揮發性物質VOCs

煙草包裝中VOCs檢測方法常用的有氣相色譜法[26-27]和氣相色譜–質譜聯用法[28]。包裝材料中溶劑殘留分析的難點在于低濃度目標分析物的捕集，基于煙草包裝材料中揮發性物質的特點，目前常采用的富集、濃縮預處理技術有：靜態頂空技術（Headspace，HS）[29]、吹掃捕集動態頂空技術（Purge and Trap，P&T）[30-31]、固相微萃取技術（Solid-Phase Microextraction, SPME）[32]、頂空-固相微萃取技術（HS-SPME）、熱脫附技術（Thermal Desorption, TD）[33]等。結合預處理技術和檢測方法，對卷煙包裝材料中的危害物進行高效、高靈敏測定。

3.1.2 快速比色法檢測紙質包裝材料中的甲醛

和氣相色譜法相比較，比色法具有快速、簡便、易操作的特點。上海煙草集團和上海煙草包裝印刷公司發明了一種基于膜富集比色快速檢測紙質包裝材料中甲醛含量的方法，首次將膜富集與比色法進行結合用于甲醛的檢測中，能夠快速測定紙質包裝材料及其油墨中甲醛含量，提高測定準確性和靈敏度[34]。展望未來，還將會有更多的關于煙草包裝材料中VOCs的快速檢測方法，來滿足生產過程的實際需求。

3.1.3 超高效液相色譜-熒光檢測器法檢測卷煙包裝材料中熒光增白劑

卷煙工業中，熒光增白劑ABP、VBL主要用于濾嘴接裝紙和成型紙的增白，人體過量蓄積將會對健康造成危害，應嚴格控制其用量。超高效液相色譜–熒光檢測器法（UPLC-FLD）前處理操作簡便，分離速度快，重復性好，回收率高，可應用于卷煙包裝材料中的熒光增白劑ABP和VBL進行定性和定量研究[35]，為建立卷煙濾嘴接裝紙和成型紙中熒光增白劑的分析方法以及相關企業和監管部門提供技術參考。

3.2 煙草包裝中危害物的控制措施

卷煙制品中的異常氣味和不安全因子，多與包裝材料中的揮發的有機化合物VOCs和熒光增白劑有關。條、盒包裝中的VOCs和濾嘴接裝紙、成型紙中的熒光劑可通過改進紙質原材料、印刷基料以及油墨組成、儲存條件、添加熒光減除劑等方法進行控制。

3.2.1 建立煙草包裝原材料的危害物檢驗標準

基于煙草包裝原材料的大量檢測數據，建立適合煙包體系的危害物檢驗標準。與原材料供應商簽訂危害物控制協議。對每批次到貨的原材料進行檢測，結果合格后方可入庫。對原材料進行全鏈條監控。

3.2.2 改進油墨成分、優化印刷工藝

煙草包裝在印刷過程中使用的油墨成分含有大量的有機溶劑，這是煙草包裝中VOCs的主要來源，也是全鏈條檢測的重點抽樣環節。煙絲和卷煙濾嘴對VOCs有較強的吸附能力，卷煙條與盒包裝紙中的部分VOCs可轉移到煙支中，從而造成卷煙異味，影響卷煙自身風味。為了控制VOCs含量，將傳統有機型油墨改為對人體危害更低的有機型油墨，或者環保型的水性油墨[36]，在印刷過程中將幾乎不會出現VOCs。此外，也可通過優化煙用商標紙上加液方式[37]，如采用淋加方式，嚴格控制VOCs的殘留量，提高卷煙吸食安全性和確保卷煙制品的質量。

3.2.3 改善煙草包裝的存儲條件

煙草包裝產品的全鏈條檢測點除了生產環節和印刷環節，還應該包括散味和儲存環節。基于VOCs易揮發的特點，采用物理方式降低煙草包裝材料中VOCs的含量，比如：提高烘干溫度、增加空氣流通、調節生產車間的濕度、延長包裝材料的存放時間等。濕度應控制在45% ～ 65%，過高或過低都會影響煙草包裝的平整度，且過高還會限制多種VOCs的揮發。此外還有研究表明，將卷煙商標成品最好放在倉庫通風處7 d以上再使用，可使VOCs的含量明顯降低。

3.2.4 添加熒光減除劑

國家對煙卡及卷煙紙的熒光含量的要求越來越嚴，為了減少紙張中的熒光含量，在生產時需要長時間停機及多次清洗，轉換時間長，耗費了大量的水資源，造成環境的污染。可使用熒光減除劑——陽離子水溶性聚合物PAS，中和系統中的陰離子發光基團，快速消除循環系統和漿料中的殘余熒光增白劑，大大縮短轉換過渡時間。

4 數字化技術在煙草包裝中的應用

數字化技術在發達國家煙草行業的應用較早。在我國尚處于起步階段。隨著國內煙草行業卷煙品種的不斷增加和卷煙檔次的不斷提高，對煙草包裝行業的數字化技術應用提出了更高的要求。卷煙“智能包裝”正日益成為商品功能延伸和提升包裝商品附加值的最佳方案。數字化技術的高速發展，成為促進智能包裝產生和發展的關鍵因素和主要推動力。目前數字化技術在我國煙草包裝材料生產、品牌溯源、卷煙真偽鑒別、卷煙品質評定方面已有初步應用（圖3）。

圖3 數字化技術在卷煙包裝中的應用

4.1 煙草包裝材料的自動化生產設備

可編程控制器PLC技術通過應用高靈敏探測器和傳感器實時檢測煙草包裝材料質量，提高生產設備的自動化性能[38-39]。自動化控制技術還能夠實現對內襯紙、接裝紙及條小盒印刷的在線監測。比如，基于機器視覺系統的快速外觀檢測設備，可替代人的眼睛對產品進行測量和判斷[40]。在高速運轉的包裝生產設備上，外觀檢測設備可有效保障煙草包裝質量。攝像裝置捕捉目標圖像，將其轉換成數字信號，進一步傳輸給專用圖像處理系統，并做出相應的判斷，輸出結果，調整設備。但是，物料運輸、涂膠、包邊、面紙成型、水平烘爐、煙盒切邊等工序的生產效率依然很低，生產自動化依然有待提高[41]。

4.2 真偽卷煙包裝鑒別

卷煙真偽鑒別方法主要有基于卷煙煙絲的鑒別法和基于卷煙包裝的鑒別方法。一般常用的有感觀鑒別法，對技術人員要求高，主觀性和經驗依賴性強。隨著技術水平的提高，基于卷煙包裝鑒別出現一些新方法。基于TRIZ 理論的便攜式卷煙真偽鑒別輔助工具剪，配套制定“一摸三看”可便捷地實現對卷煙真偽外觀鑒定[42]。利用計算機視覺對卷煙包裝進行圖像處理和特征向量提取，再以相似性度量模型、機器學習模型對特征向量進行分類并判定卷煙真偽[43]。基于高分辨率網絡和注意力機制的卷煙包裝真偽鑒別，準確率可達到97.21%，可有效提高鑒別準確度[44]。采用衰減全反射紅外光譜法可實現無損鑒別真假卷煙，且準確率可達100%[45]。

4.3 卷煙品牌和產地溯源

刑事案件現場中分析香煙物證的品牌和來源，對鎖定偵查范圍、有效打擊犯罪十分重要，但是煙盒外包裝薄膜常常被油脂浸染、灰塵覆蓋或摩擦破損。因此對污染的香煙盒外包裝薄膜進行品牌和產地溯源意義重大。

傅里葉變換紅外光譜法、小角激光散射法、差示掃描量熱法、X射線熒光光譜法、拉曼光譜法[46]等光譜技術可對香煙盒外包裝薄膜進行檢測，通過降維相關性分析方法處理光譜數據（峰形、峰位、峰高比），形成煙草包裝溯源數據庫，實現對全部樣品的分類，為公安機關實際辦案中縮小鎖定偵查范圍提供幫助。

4.4 卷煙質量綜合評價

卷煙質量是卷煙企業的核心競爭力。根據GB/T 5606.6—2005，卷煙質量評價的6個指標中2個指標與煙草包裝緊密相關。因此，提高煙包質量，對綜合評價卷煙質量十分重要。

可通過灰色局勢決策方法和DTOPSIS法，將綜合性狀轉化為可以量化的值，全面、客觀地評價煙草品種的優劣[47]。DTOPSIS法建立了參試品種的“正理想解”和“負理想解”，并將各指標與理想解的差距累加起來。根據得到的C值對卷煙質量進行排序（C值的計算相對復雜）。灰色局勢決策方法只需要依據上限效果測度或下限效果測度計算效果測度值，得出綜合效果測度值，從而進行排序，此方法原理簡單、計算便捷。根據實際工作確定指標權重，使所得結果更接近實際，客觀地、科學合理地評價卷煙綜合質量的優劣，為卷煙品牌的發展提供可靠依據。

5 煙草包裝數字化和智能化發展趨勢

近年來，我國材料科學、現代安全檢測和控制技術、計算機技術和人工智能等技術的協同進步，加快了卷煙包裝及卷煙產品的世界化進程。面對“綠色包裝”“安全包裝”“智能包裝”的時代要求，從業人員針對降焦減害和加香保潤2個方面優化卷煙紙技術，采用多種檢測手段評估煙草包裝材料的安全性，并實行科學合理的管控措施。在數字化技術高速發展的時代大背景下，智能化卷煙包裝也在不斷地試水，包括卷煙包裝的自動化生產、真偽鑒別、產地溯源、包裝信息整合等，日益成為產品功能的延伸，推動煙草包裝行業向更深、更廣維度發展。

6 結語

數字化技術將繼續應用于卷煙包裝的研發過程，其發展趨勢主要有如下幾方面。

1）研發智能化煙草裝備。比如開發煙草包裝材料自主選擇系統，建立煙草包裝材料匹配數據庫，根據煙草等級和產地特征等信息，選擇最適合的包裝材料與包裝形式。研發全自動的煙草包裝機器人，提高成型、水平烘爐、煙盒切邊等工序的生產效率，這必將是卷煙包裝的發展趨勢之一。

2）提升數字化防偽卷煙包裝。隨著計算機技術、網絡技術和可變數據印刷等技術的發展，卷煙包裝防偽也將是未來的發展趨勢。不斷將新工藝、新技術應用在卷煙包裝上，主要包括材料防偽、工藝防偽和數字防偽等。通過提高技術壁壘，達到保護品牌的目。

3）發展互動式卷煙包裝。將卷煙包裝與AR、VR、MR技術相結合，實現數字技術與印刷技術的完美融合。對卷煙產品進行充分的詮釋和演繹，增強包裝的靈動感。卷煙包裝未來的發展趨勢必將集成各種創新技術手段，通過與智能技術相結合，為行業發展賦能。

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Research Progress on Green, Safe and Intelligent Cigarette Packaging

ZHANG Ming-yue1, ZHAO Ming-qin1, ZHU Chao-zhi1, Yu Xiao-ling1, WU Yun-jie1, QIN Yan-qing2, MA Xiao-hua3, YUAN Xiao-yu

(1. Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China; 2. Sichuan Provincial Tobacco Corporation, Chengdu 610000, China; 3. China Tobacco Henan Industrial Co., Ltd., Zhengzhou 450016, China)

The work aims to research the development status of Chinese cigarette packaging to comprehensively promote the development of green, safe, intelligent packaging under the background of digital development. On the one hand, the development of cigarette packaging materials and cigarette paper technology, the application of chromatography, spectrum and other detection methods in evaluating the environmental performance and safety performance of packaging materials were summarized and analyzed to provide a green and safety strategy research. On the other hand, the application of digital technology in automatic production, authenticity identification of cigarette packaging, origin traceability, comprehensive quality evaluation, etc. were explored. The application of digital technology is an inevitable trend in development of three-in-one cigarette packaging, especially intelligent packaging. It will promote the cigarette packaging industry to a deeper and wider dimension.

cigarette packaging; cigarette paper technology; green packaging; intelligent packaging; digital technology

TS206.4；TS47；TS452+.7

A

1001-3563(2022)17-0308-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.17.040

2022–05–05

河南中煙工業有限責任公司科技項目（AW202148）；中國煙草總公司四川省公司重點科技項目（SCYC201913）；河南省重大科技專項項目（221100110500）

張明月（1988—），女，博士，講師，主要研究方向為高分子材料制備及應用。

原曉喻（1987—），女，博士，講師，主要研究方向為食品接觸材料安全評估研究。

責任編輯：曾鈺嬋