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卷烟材料技术现状及发展

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【摘要】随着我国经济发展水平和人民生活水平的提高,健康问题日益受到人民群众的关注,烟草行业也随之面临新的市场形势。为满足卷烟消费者需求、不断适应市场变化,安全、环保和高效将是我国卷烟材料的重点发展方向。本文综述多孔材料、天然植物材料等卷烟材料的发展及应用情况,并对卷烟材料技术发展的总体趋势进行展望,以期能对烟草行业卷烟材料新技术的发展提供一定的前瞻引领。

【关键词】卷烟材料;安全环保;技术进展

1引言

卷烟是一种特殊的消费品,我国每年卷烟销量巨大。据报道,2017年我国卷烟销售量为4738万箱,与2016年相比增长了0.83%。就2013-2017年卷烟销量而言,2014年卷烟销量保持稳定增长态势、高达5099万箱,2015、2016年卷烟销量连续呈现小幅下降趋势,2017年又实现了销量增长。随着我国经济发展水平的提高,人民越来越关注个人的生活水平,健康已经是全民关注的话题,同样吸烟与健康的问题也逐渐受到全社会的关注。我国2012年发布的《中国烟草控制规划(2012-2015)》,从国家层面上调控烟草的消费;2015年6月1日,《北京市控制吸烟条例》正式施行,国家及地方一系列政策的出台在一定程度上抑制了对烟草的消费需求。同时随着消费群体对烟草危害认知能力的提升,消费群体也更加注重卷烟的安全性、吸食特性、外观、包装及品牌等。为此,有关卷烟材料的研究已经成为我国卷烟企业革新卷烟技术的主要突破点。卷烟材料是指除烟丝外卷烟制造过程中所使用的各种材料,一般包括包装材料和卷接材料。其中卷接材料主要包括卷烟纸、接装纸、滤棒成形纸、滤棒、胶粘剂、丝束、卷烟接嘴胶等,对卷烟的吸食品质有重要影响。随着卷烟材料使用量的增加及技术进步,烟用材料生产企业及相关学者在减害降焦等新材料研发方面开展了大量工作。其中卷接材料主要包括卷烟纸、接装纸、滤棒成形纸、滤棒、胶粘剂、丝束、卷烟接嘴胶等,对卷烟的吸食品质有重要影响。随着卷烟材料使用量的增加及技术进步,烟用材料生产企业及相关学者在减害降焦等新材料研发方面开展了大量工作。为适应消费者和市场需求的不断变化,安全环保卷烟材料将是今后的主要发展目标。围绕这一目标,重点技术研究领域有:减害降焦的卷烟纸、成型纸等开发;高过滤性且可降解滤嘴丝束开发;安全环保、高效卷烟用胶开发等[1]。

2卷烟材料技术研究进展

2.1减害降焦材料

2.1.1选择性减害复合滤棒滤嘴是现代香烟的主要组成部分,可有效地降低卷烟烟气中的有害成分,从而降低吸烟对人体健康的损害,因此现代卷烟的滤嘴是不可或缺的一部分。卷烟烟气中的焦油及其它有害成分是烟民普遍关注的问题,怎样在不影响卷烟吸食品质的情况下,能够有效降低烟气当中有害物质的量,使烟民得到一定的生理满足,是卷烟材料研发中关注的重点。近年来,各类功能性滤棒的研发都瞄在这一方向上,已经取得了一定进展。(1)多孔材料滤棒多孔材料因其具有微孔式的网状结构、较高的比表面积、化学稳定性和优异的热稳定性,对亚硝胺、氨、CO、苯酚、氢氰酸、羰基化合物、苯并[α]芘等多种有害气体有较好的吸附能力,是最佳选择[2]。目前多孔材料已经在卷烟企业取得良好的应用效果,比如活性炭滤棒、纳米材料滤棒等。活性炭孔隙结构多、高比表面积、可以大量吸附低浓度的挥发性有机物,因而,众多学者在研究如何使活性炭应用到滤棒添加剂中作为吸附的材料。近三年,有些研究员用强氧化性酸洗、氨洗、有机溶剂、壳聚糖浸泡椰壳和杏壳基活性炭,并对其工艺进行优化。研究表明,卷烟滤嘴中的活性炭经过改进优化,其吸附能力有较大的提升,而且不会对卷烟的吸食品质有任何影响。也有研究者利用氯化锌、磷酸、水蒸气、氢氧化钾等作为活化剂,用电加热、微波加热、普通热源等对烟杆加热炭化,并寻找与之相适应的工艺条件,制出烟秆基活性炭,并用密度函数(DFT)、D-A或H-K方程、BET多分子层吸附等理论重新构建烟秆基的活性炭孔结构,进一步推动了活性炭滤棒的研发改革。除活性炭外,纳米材料也是卷烟材料又一重要发展方向,目前主要集中在滤嘴纳米材料的研发上。对于纳米材料来说,这种物质外表面活性位点较多、化学反应接触面积较大,滤棒可用其作为吸附剂,对有害气体的选择性过滤效果非常好。碳纳米管材料具备内部中空的孔腔式结构、孔隙比率高,因此也有高效的吸附性能。通过对碳纳米管进行工艺改进,也可以选择性地提高去除有害成分的性能。张东海等[3]采用过渡金属如镍、铁、钴等来改良碳纳米管,将其以夹心层的形式添加到滤棒中,制作复合滤嘴,再利用过渡性金属离子与CN-的配位效用,可显著提高对烟气中有害气体氢氰酸的过滤效果,工艺优化后氢氰酸含量降低1/3以上;周顺等[4]采用聚丙烯、蒙脱土、氧化镍等原材料,通过催化燃烧工艺制出碳纳米管基复合材料,使得介孔扩大,比表面积相应提高至200m2/g以上,可以使苯酚含量降低约1/4;还有一些学者将石墨烯及其复合材料用于卷烟减害降焦,盛金等[5]用氧化石墨烯改性炭纤维复合材料来制作滤嘴添加剂,结果表明,经氧化石墨烯催化后,烟气中氰化氢、苯酚和醛酮类的释放量明显降低,尤其是烟气中的主流苯酚和巴豆醛释放量,降幅分别达到约26%和33%,该方法纳米材料用量少且效果明显,为氧化石墨烯二维碳基纳米材料在在过滤棒中的应用探索了新方向。此外,吕功煊等[6]、张悠金等[7]、李绍民等[8]分别在贵金属纳米材料、氧化物纳米材料、纳米矿物质材料研究方面取得了一定的进展。总的来说,纳米技术的蓬勃发展为卷烟减害降焦研究创造了条件,滤嘴用纳米添加剂将为卷烟减害提供越来越重要的技术支持。此外,冯守爱等[9]将13X分子筛颗粒添加到醋纤滤棒的空隙中,制作成“醋纤-分子筛-醋纤元”复合型滤棒,实验结果表明,低分子醛酮降低了约24%。周仕禄等[10]使用孔径比多环芳烃小的NaY型分子筛作为主吸附剂,可显著降低烟气中的多环芳烃含量;谢兰英[11]等利用回流法生产出一维隧道结构的改性Ag/MnOx分子筛,结果表明,Ag/MnOx分子筛能降低卷烟烟气中CO释放量20%~30%;李绍民等[12]将Y型分子筛和二次元分子结合成复合滤棒,同时添加机械强度改进剂,消除了复合材料扬尘现象,降低酚类降低25%~28%,烟气焦油量降低23%~31%,且对亚硝胺、苯系物、苯并[α]芘等均有一定吸附作用。(2)天然植物复合滤棒天然植物材料一般具有天然多孔结构,比表面积大,是天然的物理吸附材料。此外,天然植物材料之所以比其他材料好,因为天然植物含有抗氧化的成分,能与主流烟气中的有害成分进行化学反应,起到降焦减害的作用。天然植物材料中还含有很多有机化合物成分,这些物质大多数是香味物质、抗氧化物质等,如果在滤棒上加以应用,可以起到增香、降焦减害效果,可全面提升卷烟口感[13]。将天然植物材料用于卷烟滤嘴,优势在于不燃烧,不产生有害物质,同时吸附卷烟主流烟气中的多种有害成分。马宇平[14]将茶叶中的香味提取物和茶多酚添加到滤棒中,结果表明,卷烟烟气焦油和烟碱量减少,吸食品质也有所提高,同时也有效的减少了卷烟烟气中的其他有害物质,例如烟草特有亚硝胺等。戴亚等[15]用超声波-有机溶剂提取的方法,从动物新鲜的血液中提取出血红素制成卟啉类化合物,在豆类植物中提取出多种酚、酮类及其衍生物,并将两种提取物与茶叶结合一起制成复合滤嘴,可显著降低烟气中的自由基和多种稠环芳烃(PAHs)、烟草特有亚硝胺等有害物质的量。吴金凤等[16,17]从黄连的根茎中提取出黄连碱,再将该物质添加到滤棒中,便可得到活性炭纤维-黄连生物碱复合滤嘴,可有效降低烟气中焦油含量以及氢氰酸量。大豆蛋白颗粒表面粗糙,比面积大,有许多球状蛋白颗粒,蒋举兴等[18]将大豆蛋白颗粒用到卷烟滤嘴上,发现大豆蛋白颗粒可有效降低焦油和有害物质产生量,降低幅度分别为:焦油5.88%、苯酚10.10%、NNK11.13%、巴豆醛25.97%、B(a)P22.01%。东传斌等[19]在二醋酸纤维素丝束中添加地黄颗粒,不但能有效降低稠环芳烃、焦油、致癌物质的产生量,而且不影响卷烟的感官质量。王涛等[20]在醋酸纤维滤棒中加入木材颗粒得到的复合滤嘴,能够有效降低卷烟烟气中焦油和其他有害物质,降幅分别为焦油8.57%、氨离子3.77%、巴豆醛3.49%、HCN20.37%、B(a)P22.22%、苯酚21.16%、CO2.17%、NNK4.50%。王保兴等[21]将茶叶饼、毛竹、烟杆和山毛榉等进行炭化处理制成炭化颗粒并添加卷烟滤棒中,减少了卷烟主流烟气的焦油及其它有害物质的量,同时吸食品质也有所改善。谷向春等[22]将竹子炭化、磨碎,而后加到滤棒中制成纤维滤嘴,可明显增加卷烟主流烟气中的焦油和小分子有害物质的吸附率。迟广俊等[23]在成型纸的一面添加粉碎后的普洱茶,并用该成型纸卷接滤嘴,结果表明,卷烟主流烟气中亚硝酸盐和焦油含量等有害物质的量有效减少。综上所述,目前天然植物材料在卷烟滤嘴中的应用,能有效降低烟气中的有害成分,但是天然植物材料目前尚未广泛应用于卷烟滤嘴生产中。由于对天然植物中有效成分在滤嘴中发挥的作用了解还不是很深入,相关研究也比较少,对于天然植物在滤嘴中的应用研究仍有较大的挖掘空间。

2.1.2醋酸纤维丝束优化1950年美国伊斯曼柯达公司首先将二醋纤应用于香烟滤嘴的工业化生产,该型滤嘴在降焦减害中发挥出显著作用,且具有不改变香烟口感、方便加工等明显优势,因而得到大规模应用,并逐渐发展成为二醋纤的主要用途。目前国内外90%以上的滤嘴都在使用二醋纤[24],远超其他类型的过滤材料。由于卷烟产生的烟气成分种类多、且成分复杂,还有很多没有被检测出来的物质,然而目前使用的醋酸纤维滤嘴的过滤有很多的不足,大部分有害物质还是不能有效除去或降低,因此,对醋酸纤维丝束的研究仍然具有重要的现实意义,也一直是卷烟材料研究领域的重点方向。李菲斐[25]结合不同产地的醋酸纤维丝束的属性特点,建立了一种基于调整设备的辊速、辊压、风力等技术参数的方法,使不同产地醋酸纤维丝束得到有效应用。王涛等[26]将天然保润剂添加在纺丝油剂段中,实现了二醋酸纤维丝束改良。也有研究者采用等离子体处理技术、生物酶技术等对醋酸表面纤维进行了改良,使得纤维表面结构粗糙化,显比表面积增加,达到明显提升纤维吸附能力的效果。同时采用两种技术,效果会更为明显。

2.1.3减害降焦卷烟用纸卷烟纸直接参与燃烧,会明显影响卷烟主流烟气、侧流烟气以及烟气中焦油、CO等有害成分的释放量。卢昕博等[27]对卷烟用纸发展概况进行了系统地总结,经过改进透气度等物理参数的卷烟纸,可显著降低主流烟气中氨和CO释放量。也有部分学者对功能性材料进行了相关研究,主要通过选择将那些对烟气有害成分具有特定吸附能力或者能够与特定有害成分发生化学反应的功能材料添加到卷烟纸上,达到了可以人为控制且选择性降低有害成分的目的。总体来说,目前有关卷烟纸的研究相对较少,主要集中在降焦减害技术上,新型卷烟作为一个全新的领域,将是后续卷烟纸的新研发方向。

2.2安全环保卷烟材料

十九大报告指出“绿水青山就是金山银山”,明确要求各行业应该以绿色环保为发展方向。烟草行业更是如此,为整体提高卷烟安全环保水平,烟草相关管理监督单位,一方面需要加强宣传及政策引导,同时更要加强对企业贯彻、强制性执行及落实情况的检查,加强卷烟辅料生产企业的安全与环保意识,使其自觉对卷烟纸中的有害成分的进行控制,提高卷烟材料的安全性;另一方面,政策引导,鼓励相关企业开发生产安全环保型卷烟材料,包括滤棒及废丝的降解与回收、环保型胶粘剂、低危害化工油墨印刷技术等,部分已在卷烟接装纸、包装纸上进行了试用,取得了一定效果。李丽等[28]认为卷烟产品是由卷烟材料构成的,其质量安全是卷烟水平的重要基础,卷烟材料的质量将直接影响到卷烟的质量。例如,卷烟机运转会受到水松纸的伸长率和抗张强度的影响,从而造成高能耗和低产量;内衬纸的质量既影响到成品烟的条、盒包装外观,还会影响到卷烟的防霉效果。

2.3功能性卷烟材料

在卷烟滤棒中加入一定量的其他功能性成分,可以明显改善吸食品质。例如在卷烟滤棒中加入香精香料,这样烟民在抽吸过程中,卷烟燃烧产生的主流烟气通过滤嘴时,香精或香料释放出来同主流烟气一起进入人的口腔内,产生不同的香气风格,增加烟香,使烟民在抽吸过程中愉悦感增强。另外将香精香料加到滤嘴上而不是烟丝上,是因为如果将香精或香料加入到烟丝当中,在卷烟燃烧过程中,高温会使香精或香料分解,起不到增香保润的作用,而加到滤嘴上可以发挥香精或香料的作用,同时也会降低卷烟滤棒对香味成分的过滤截留,保持卷烟特有的香气风格。近几年,吸烟与健康被广大市民关注,卷烟降焦技术也被广泛应用,在降焦过程中会伴随着卷烟香气的不足,而滤棒加香可弥补卷烟香气成分的缺失。目前我国在滤棒加香的应用主要有:在丝束开松后喷加、伴随增塑剂一起喷加、浸润纺织线直接埋入滤棒等。滤棒添加剂的形态主要是液体、固体颗粒和固液气三种形态添加剂做成注入微型胶囊结构的形态等。当下,我国在降焦减害方面主要表现在三个方向:一是通过在卷烟配方中适当添加薄片;二是在滤棒中加入特殊添加剂;三是合理搭配卷烟辅料“三纸一棒”。相关研究也比较多,余耀等[29]研究制备了一种胶囊滤棒并应用于卷烟中,结果表明,卷烟主流烟气当中焦油及其它有害成分的量有效降低。包秀萍等[30]制备挥发性薄荷油微胶囊卷烟滤棒,可以赋予卷烟特有的薄荷香气,改善烟香及余味,降低刺激性。

3国内外烟用材料技术研究

我国烟用材料生产技术与国际水平的差距主要表现在三方面:(1)国外的烟用辅料企业相对我国来说,规模大、集中度高,以兼并重组、企业发展面向全世界。而我国烟用辅料企业相对分散、不集中、无结合,缺乏整体规划,没有形成体系。各企业技术水平参差不齐,在制造装备水平、加工工艺技术水平方面与国际先进水平有较大差距,缺乏竞争力。(2)国外烟用材料企业拥有绝对技术优势。我国在烟用材料的重点技术竞争领域,如减害、降焦、环保和实用技术方面,与国际先进产品相比还存在较大差距。(3)与国外烟用企业相比,国内企业过度追求卷烟外观包装,导致资源浪费,不符合环保趋势。发达国家更注重卷烟的吸食品质和安全性,对卷烟的包装大多简洁、环保,不追求如何精美奢侈。夏国聪等[31]为开发低危害卷烟,测定了国内外30个不同品牌卷烟样品卷烟纸和接装纸的透气度、滤嘴长度、烟丝结构、烟气焦油及7种烟气有害成分,即CO、HCN、NH3、NNK,苯并[α]芘、苯酚、巴豆醛的释放量,计算其危害性指数,比较了不同类型卷烟烟气危害性指数的差异。结果表明:国内卷烟相较于进口卷烟危害性指数较低;国内烤烟型卷烟相较于混合型卷烟危害性指数低;国内混合型卷烟的危害性指数略低于进口烤烟型卷烟样品;再造烟叶、晾晒烟叶的使用比例对卷烟危害性指数有较大影响。

4卷烟材料未来发展趋势

通过对我国卷烟材料发展现状的综述,研判未来我国卷烟材料技术发展趋势如下:(1)多孔材料将继续强势发展。多孔材料可有效降低烟草中的有害气体,仍然是未来重点研究方向。已有的研究表明,多孔材料在降低有害气体的同时,烟气烟碱和水分等成分也不可避免的降低,因而,后续需根据卷烟烟气气体的特性研究具备“选择性”过滤降低有害气体的“智能”材料。(2)纳米材料技术将进一步发展。纳米材料自身成本低廉,能够在不显著增加成本的情况下有效降低卷烟主流烟气有害成分,优势明显。后续将会伴随着纳米材料技术不断发展,在卷烟材料中的应用也会越来越多,是后续研究的重点方向。(3)低危害新型滤嘴技术有待进步。伴随着吸烟与健康被市民广泛关注,低焦油、低危害卷烟的需求不断提高,而开发新型卷烟滤嘴将是各个烟草企业所关注的重点。未来新型滤嘴将能够有效地降低卷烟主流烟气中的有害物质,并且通过滤嘴添加不同香味物质,使卷烟保持其特有的香气风格,同时也要考虑制作成本。安全、环保、低成本将成为卷烟产品竞争力考核的重要指标。

作者:杨琳 杨超 单位:黑龙江烟草工业有限责任公司

卷烟材料技术现状及发展责任编辑:张雨    阅读:人次