造紙法煙草薄片天然多糖助留劑研究進展

摘 要：造紙法煙草薄片原料中含有大量的細小纖維、碎片和礦物填料，其易在加工過程中流失，使得原材料消耗和水處理負荷增加，影響煙草薄片品質。天然多糖化學性質穩定、無毒、可生物降解，可以用作煙草薄片的助留劑。本文綜述了天然多糖助留劑在煙草薄片中的應用情況，包括單元、雙元及多元助留體系，并從微觀結構出發，總結了天然多糖助留劑發揮作用的機理和效果。

關鍵詞：煙草薄片；造紙法；助留劑；天然多糖

中圖分類號：TS76；TS45 文獻標識碼：A DOI：10. 11981/j. issn. 1000?6842. 2025. 02. 131

煙草薄片的生產方法主要有輥壓法、稠漿法和造紙法［1］。在制備造紙法煙草薄片的過程中，首先以水作為溶劑提取煙草原料 （煙末、煙梗、碎片等），按照造紙工藝，將固液分離后的固體部分加工成基片，再對液體部分進行精制、濃縮、調配以形成涂布液，將涂布液通過雙輥法涂布在基片上，通過熱風干燥、切片，最終制得煙草薄片［1-2］。造紙法煙草薄片中會加入部分木漿纖維和礦物填料（主要包括輕質碳酸鈣和重質碳酸鈣），以增強煙草薄片的物理性能。由于添加了填料，造紙法煙草薄片具有較高的比表面積和透氣性，有利于空氣循環和煙草的燃燒過程，可以提高香煙使用時的口感和香氣［3］。造紙法煙草薄片通常具有密度小、填充性能好、耐加工性好等特點，有利于卷煙“降焦減害”，在煙草行業得到了廣泛應用［4］。然而，在基片的抄造過程中，細小纖維和填料極易流失，導致細小組分的留著率偏低，進而影響機器的運行和成品品質。因此，在實際生產過程中，為了提高細小組分的留著率，往往通過添加助留劑以確?；屑毿±w維和填料的含量［5-6］。但助留劑的使用可能會對漿料的濾水性能造成負面影響［7］，且填料含量較高，使基片強度性能下降［5］。因此，選擇綠色且兼具助留助濾功能，同時可以改善基片機械強度的環保助劑非常必要。

天然多糖主要來自動物細胞膜或植物細胞壁，來源廣泛，具有良好的生物相容性和可生物降解性等優良性質。天然多糖及其衍生物具有穩定的化學性質，可以通過氫鍵、靜電等相互作用提高細小組分留著率，在食品及其他輕工業產品中被廣泛用作增稠劑、穩定劑和凝膠材料等［8］。在煙草薄片生產過程中，使用天然多糖作為助留劑增強填料留著已成為一個普遍采用的技術。

1 單元助留體系

1. 1 殼聚糖及其衍生物

殼聚糖作為自然界唯一的堿性多糖，具有獨特的理化性質［9-10］。殼聚糖的分子質量較大（超過1000 kDa），對煙草纖維有足夠的附著力，可以在纖維之間架起橋梁。帶正電的殼聚糖可與碳酸鈣和帶負電荷的纖維通過氫鍵和靜電相互作用形成交聯網絡，有利于保留填料等細小組分［11-12］。

圖1顯示了殼聚糖助留劑的作用機理。如圖1（a）和1（b）所示，殼聚糖添加量較少時，其可以與部分帶電纖維和碳酸鈣填料結合，形成網狀結構；當殼聚糖的添加量增大后，尺寸較大的煙草粗纖維束會穿過網狀結構，交錯排列形成新的骨架，并連接多個網狀結構，組成更加致密的空間網狀結構。圖1（c）為添加殼聚糖后煙草薄片的掃描電子顯微鏡（SEM） 圖。從圖 1（c）可以清楚看到，尺寸較大的煙草粗纖維束交錯排列成網狀結構，與圖 1（b）中示意的結構一致。圖1（d）為殼聚糖通過帶電位點與細小纖維和碳酸鈣填料相連的示意圖，即在煙草薄片的制備過程中添加殼聚糖，可以通過細小纖維和碳酸鈣填料表面陰離子與殼聚糖表面陽離子間的靜電吸引作用實現聚集滯留。綜上所述，殼聚糖作為助留劑的作用機理如下：在漿料中殼聚糖先與細小纖維和碳酸鈣填料相連接，然后作用于煙草纖維，形成空間網狀結構，以提高細小纖維和碳酸鈣填料的保留率。

胡惠仁等［14］ 研究發現，當殼聚糖添加量為0.1%時，就可以顯著增加漿料的助留助濾效果，這是因為殼聚糖作為一種陽離子聚合物，可以與漿料通過電荷中和進行相互作用，也可以通過氫鍵結合與無機填料和細小纖維進行相互作用形成絮凝體；而當殼聚糖添加量gt;0.2%時，形成的絮聚體過大，會導致漿料濾水效果降低。圖2顯示了殼聚糖添加量對漿料留著效果的影響。如圖2所示，隨著殼聚糖添加量的增加，漿料的單程留著率顯著升高，在殼聚糖添加量為0.15%達到最大值；而當殼聚糖添加量超過0.15%后，隨著殼聚糖添加量的增加，單程留著率反而下降。這是由于殼聚糖具有較高的正電荷密度，當添加量過大時，漿料體系的電荷性質會發生改變，進而阻礙纖維之間形成氫鍵，甚至還會影響煙草薄片的抽吸質量［14］。孫霞［15］ 研究發現，加入少量的殼聚糖會使基片的抗張強度明顯下降，這是由于填料等細小組分含量的升高阻礙了纖維間氫鍵的結合，導致基片物理性能變差，進一步影響機器的抄造運行，這也同樣表明殼聚糖添加量不宜過高。因此，使用殼聚糖作為助留劑時，添加量在0.1% 左右較為合適，此時助留助濾效果較強，也可以避免使基片的強度過低。

1. 2 瓜爾膠及其衍生物

瓜爾膠是一種典型的半乳甘露聚糖，其主鏈由甘露糖組成，側鏈由半乳糖組成，質均分子質量高達1×106～2×106［16］。在制漿造紙工業中，瓜爾膠可用作黏合劑和防水劑，以提高紙張的強度［17-18］。天然瓜爾膠是一種中性多糖，燃燒時不會產生有害物質，但作為助留劑會導致濾水困難［19］。通過季胺鹽與瓜爾膠間發生的醚化反應制備的陽離子瓜爾膠衍生物 （cationic guar gum，CGG），可用于進一步改善漿料濾水問題［20-21］。CGG可以通過電荷中和吸附在漿料中的纖維表面，還可以與填料和細小纖維發生靜電中和、鑲嵌、橋聯及氫鍵作用，使之絮凝后減少流失，從而改善細小組分的留著［22-23］。

圖3顯示了瓜爾膠助留劑的作用機理。Li等［13］研究表明，瓜爾膠通過“成核生長”，可以將細小纖維和填料包裹起來，以提高留著率（如圖3（a）和圖3（b）所示）。在靜電作用下，瓜爾膠膠體粒子表面積累的細小纖維形成環狀“瓜爾膠芯”，包裹纖維繼續生長，但包裹的纖維尺寸和纖維間電荷作用使這種“生長”被限于一定的尺寸（圖3（c））。

圖4顯示了瓜爾膠及其衍生物的添加量對細小組分留著率的影響［24］。由圖4可知，隨著瓜爾膠或其衍生物添加量的增加，造紙法煙草薄片漿料中的細小組分留著率顯著提高。然而，天然瓜爾膠的助留效果明顯低于其陽離子改性產品。陽離子羥丙基瓜爾膠（cationic hydroxypropyl guar gum，CHPG） 表 現 出更好的助留效果。此外，研究結果還表明，隨著瓜爾膠及其衍生物添加量的增加，其助濾性能也顯著提高，這是由于瓜爾膠及其衍生物能夠與填料和纖維發生絮凝，形成絮聚體，使其表面積減小。當瓜爾膠及其衍生物添加量為 0.08%～0.10% 時，助留助濾性能較佳［24］。

胡惠仁等［25］ 研究表明，基片的抗張指數隨瓜爾膠添加量的逐漸增加而顯著降低，當瓜爾膠添加量為0.2% 時，其抗張指數最小。當殼聚糖和瓜爾膠添加量一致時，瓜爾膠的助濾效果較殼聚糖差，這是由于殼聚糖為陽離子聚合物，而瓜爾膠為中性多糖，因此具有更高正電荷密度的殼聚糖更容易形成絮聚體。

1. 3 纖維素及其衍生物

纖維素是自然界最豐富的天然多糖，含有豐富的羥基，可形成分子內和分子間氫鍵。同時，纖維素具有良好的生物相容性、可生物降解能力和熱穩定性［26］，但也存在一定局限性，如化學穩定性差、強度有限等，限制了其進一步應用。對纖維素進行改性修飾可以賦予其特定的性能，提高其在不同領域的應用特性［27］。

1. 3. 1 羧甲基纖維素

羧甲基纖維素（carboxymethyl cellulose，CMC）是纖維素最常見的衍生物之一。與天然纖維素相比，CMC具有更好的水溶性、pH穩定性，常作為增稠劑、穩定劑、保濕劑、紡織品印染助劑、紙張加工助劑、洗滌劑等，在輕工行業中廣泛使用。Zhao等［28］ 研究發現，CMC的加入有利于細小纖維和填料在煙草薄片上的保留，如圖5所示。由于CMC的高電荷量，其可以與細小纖維和填料發生靜電、橋聯及氫鍵作用，提高煙草薄片漿料中細小組分和填料的留著率。袁明昆等［29］ 研究發現，CMC分子鏈中羧甲基和纖維中羧基的水化作用可以有效提高纖維間的結合力，其中羧甲基在纖維間起交聯作用，從而提高基片強度和填料留著率；但隨著 CMC 添加量的增加，纖維分子的水化程度也會增加，導致漿料的濾水性能變差?；诖耍珻MC的最佳添加量為0.2%左右，此時助留效果較好，也不會顯著影響漿料濾水性能。Zhao等［28］ 研究結果也表明，CMC添加量大于0.2%會降低基片的抗張強度。

1. 3. 2 納米纖維素

纖維素納米纖維 （cellulose nanofibers，CNF） 來源廣泛，可以由農林廢棄物進一步制得，如菠蘿葉、香蕉樹莖、小麥秸稈、稻殼和松果等。CNF的比表面積和機械強度高，分子鏈上含有大量羥基，改性后可獲得更加優異的性能［30-32］，已在納米復合材料、電子設備、化妝品、食品和膜材料等諸多領域得到應用［33-36］。如氧化CNF可以用作涂層材料，減少孔隙率，增加膜表面的光滑度［37］；CNF還可被用作增韌劑，改善纖維素復合材料的機械性能［38-39］；?mm?l?等［40］ 發現CNF可使碳酸鈣填料絮凝，因此其可以作為一種有效的煙草漿料助留劑。

陽離子纖維素納米纖維 （cationic cellulose nanofi?bers，CCNF） 是 CNF 的一種特殊類型，其通過陽離子醚化改性等，將CNF表面官能團功能化為帶正電荷的化學基團［41-42］。圖6顯示了CCNF的助留作用機理。如圖6所示，輕質碳酸鈣（precipitated calcium carbon?ate，PCC） 分散在水中形成懸浮液，加入 CCNF 后，PCC顆粒可與其通過電荷中和與橋接作用形成較大的絮凝體，從而提高填料留著率。

圖7顯示了在PCC添加量為10%的情況下，添加3%的CCNF即可獲得接近70%的填料留著率。這是由于CCNF具有較大的比表面積，易于與纖維接觸，且分子鏈中含有大量羥基，可以與纖維間形成氫鍵。此外，CCNF帶正電荷，可與帶負電荷的填料和細小纖維形成三維網狀聚集體，從而提高填料和細小組分的留著率［41］。然而，助留劑的加入會阻礙纖維與纖維間的接觸，使分子間氫鍵難以形成，因此基片的強度往往會隨助留劑含量的增加而降低。然而，Liu等［41］ 研究表明，添加CCNF會使基片中的填料含量增加，但同時抗張強度也會增加，這是因為CCNF作為纖維網絡之間的橋梁，避免了PCC與纖維的直接接觸，增加了煙草薄片漿料纖維的黏結面積，從而提高了基片的強度。

2 雙元及多元助留體系

目前，在煙草薄片的實際生產過程中，雙元及多元助留體系因其高效性和安全性逐漸成為主流技術。該體系通過陽離子聚合物與陰離子微粒的協同作用，可以顯著提升漿料的留著率、濾水性能及漿料基片的物理性能。

2. 1 CCNF-瓜爾膠雙元助留體系

雙元助留體系通常使用殼聚糖或瓜爾膠作為主要助留劑，促使填料與漿料纖維形成大絮聚團，經過高速剪切后使其形成較小的絮聚團，再加入另一種助留劑，從而得到較好的助留助濾性能［41］。劉皓月等［43］ 利用CCNF與瓜爾膠進行復配，如圖8所示，發現雙元助留體系可以提高煙草薄片漿料的助留效果，比單獨使用其中一種助留劑時效果更好。這是由于CCNF不僅可以與煙草漿料纖維形成氫鍵，也可與填料產生靜電相互作用，從而促進填料的絮凝行為，吸附填料顆粒的CCNF在煙草纖維和填料之間起到架橋連接作用，在瓜爾膠協同作用下，可達到最優的助留效果。此外，CCNF與高剪切力破壞后的填料-漿料纖維小絮團會形成尺寸更均勻、結構更緊密的微小絮聚體，漿料的濾水時間也有所降低，濾水性能得到了提升；且CCNF對于基片的強度有提升作用，而瓜爾膠會降低基片的強度，二者復配可適當緩解瓜爾膠帶來的負面影響。

2. 2 殼聚糖/瓜爾膠-膨潤土雙元助留體系

殼聚糖是造紙法煙草薄片中常用的高效助留劑；然而，較高的殼聚糖添加量不僅增加了生產成本，而且會對卷煙抽吸產生負面影響［44-45］。因此，目前由陽離子聚合物（如殼聚糖和瓜爾膠）和帶負電的無機微粒 （如膨潤土）組成的雙元助留體系在制漿造紙工業中得到了廣泛應用［46-47］。圖9顯示了由殼聚糖與膨潤土組成的殼聚糖-膨潤土雙元助留體系的助留機理。從圖9可以看出，未加入殼聚糖處理的紙漿中，纖維與填料間沒有產生化學相互作用；當添加殼聚糖后，纖維與填料發生電荷中和及部分橋聯作用，形成大絮聚團；然而，較大的絮聚團會導致漿料難以過濾，經高速剪切后，大的絮聚團被破壞而分散成尺寸較小的絮聚團；隨后加入膨潤土，與殼聚糖發生相互作用形成橋聯，使分散的小絮團再結合成較大的微絮聚體，從而構建網狀結構［44］。

圖10顯示了雙元助留體系對漿料留著率的影響.從圖 10（b）可以看出，膠體二氧化硅 （CSS） 和膨潤土對漿料的助留作用效果差異明顯。當用量相同時，膨潤土對漿料的助留效果比CSS更好。對不同種類陽離子助劑而言，殼聚糖-膨潤土雙元助留體系對漿料的助留效果比CGG-膨潤土雙元助留體系好［48］；且雙元助留體系在助留性能提升的同時，助濾性能也比單元助留體系更好。當陽離子殼聚糖和陰離子膨潤土組成二元助留體系時，電荷中和作用為最主要的絮凝機理。與殼聚糖相比，當 CGG 與膨潤土組成二元助留體系時，由于 CGG 所帶電荷量較低，所以其表現的助留助濾性能也略差于殼聚糖［48］。

2. 3 殼聚糖-瓜爾膠-膨潤土三元助留體系

目前，殼聚糖和瓜爾膠是研究最多的單元助留體系，而由膨潤土和上述二者共同組成的三元助留體系也是助留劑研究的重點［15，25，49-50］。然而，由于煙草漿料中纖維含量低，不利于煙草薄片成形，同時細小組分含量高，且含有一定量的果膠和有機酸等陰離子物質［51-53］，上述因素均會影響助留劑的使用效果。俞京等［54］ 發現，采用陽離子聚合物 （如殼聚糖） 作為固定劑中和煙草漿料中的陰離子物質，再加入絮凝劑和陰離子吸附劑組成多元助留體系，可以有效提高漿料的留著率。

圖11為不同助留體系的助留性能。如圖11所示，不同助留體系下漿料的濾水性能具有較大差異，其助留助濾性能也不一致。單元助留體系（瓜爾膠）顯示出最高的白水濁度，當瓜爾膠添加量為0.2% 時，白水濁度降至最低，繼續增加瓜爾膠添加量，白水濁度沒有顯著變化。以上結果表明，瓜爾膠單元助留體系能夠保留煙草漿料中的細小組分，但效果并不理想。當向瓜爾膠中添加殼聚糖或膨潤土組成雙元助留體系后，殼聚糖-瓜爾膠雙元助留體系顯示出比瓜爾膠-膨潤土雙元助留體系更好的助留效果。與單元或雙元助留體系相比，殼聚糖-瓜爾膠-膨潤土三元助留體系的白水濁度最低，說明三元助留體系具有最好的漿料助留助濾效果。俞京等［54］ 研究結果還表明，多元助留體系需按照固著劑、陽離子絮凝劑、陰離子助劑的順序依次添加，才能達到最佳的助留助濾效果。這是由于陽離子本身帶有正電荷，可以中和煙草漿料中的陰離子物質；而先添加瓜爾膠和膨潤土，由于膨潤土帶負電荷，會大大降低殼聚糖的作用效果。盡管瓜爾膠也帶有一定的正電荷，但其電荷密度遠低于殼聚糖，對煙草漿料中陰離子物質的作用也較弱；并且與瓜爾膠相比，殼聚糖的黏度較低，其絮聚作用較弱。

3 助留體系的應用及效果

基于查詢到的公開專利及論文，現將單元、雙元和三元助留體系的實際應用情況總結列于表1。

4 結 語

在煙草薄片生產過程中添加天然多糖助留劑，可對漿料中的填料等細小組分進行保留，助留機理主要是利用天然多糖的電荷及表面官能團的性質，通過與填料等細小組分發生靜電中和、橋接和氫鍵等作用，形成絮聚體或網絡結構。單元助留體系使用較簡便，但過量的助留劑并不會增加其助留效果，作用有限。雙元助留體系在單元助留體系的基礎上協同另一種助留劑，可以有效提高助留助濾效果。三元助留體系是目前較為全面的一種助留體系，其從煙草漿料的組成成分考慮，根據漿料助留所需，按照順序依次添加陽離子殼聚糖、瓜爾膠、膨潤土，能夠獲得最佳的助留助濾效果。與單元及雙元助留體系相比，三元助留體系穩定性較好，但目前關于雙元和三元助留體系的報道較少，尤其是三元助留體系。因此，后續研究可集中于如何簡便復配，使多元助留體系達到高效的助留助濾效果，并且不對漿料及基片強度產生負面影響。

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