碳酸鈣改性方式對(duì)造紙法再造煙葉的影響
俞海軍，馬擴(kuò)彥，周學(xué)政，張燕，陳昆燕，趙長(zhǎng)友，薛長(zhǎng)森，李剛，齊延鵬，戴亞
摘要：為提高再造煙葉品質(zhì)，研究了 4 種碳酸鈣改性方式：直接添加、淀粉與助留劑一起加入、淀粉改性、煙梗纖維 - 淀粉改性對(duì)造紙法再造煙葉的影響。結(jié)果表明，直接添加，酸鈣顆粒均勻分散在基片表面上，但基片內(nèi)部纖維碳酸鈣附著量較少；淀粉與助留劑一起加入，碳酸鈣較均勻分布在整個(gè)片基的纖維上；淀粉改性，基片中碳酸鈣顆粒形成大塊團(tuán)聚體且分布嚴(yán)重不均；煙梗纖維 - 淀粉改性，碳酸鈣團(tuán)聚的小塊顆粒較均勻地分布在基片中。上述 4 種碳酸鈣改性方式，其煙草漿料留著率、碳酸鈣留著率依次提高。中試試驗(yàn)結(jié)果表明，與原工藝（直接添加碳酸鈣）相比，采用新工藝（煙梗纖維 - 淀粉改性）的樣品的焦油、CO、總粒相物含量都得到有效降低，樣品的碳酸鈣含量從 6.3 % 提高到 10.8 %，留著率達(dá)到 72.0 %。結(jié)論：煙梗纖維 - 淀粉改性方式對(duì)提高基片中碳酸鈣的留著率和分布均勻性效果較好。
關(guān)鍵詞：再造煙葉；碳酸鈣；陽(yáng)離子淀粉；微觀結(jié)構(gòu)
造紙法再造煙葉是利用卷煙工業(yè)生產(chǎn)及打葉復(fù)烤過(guò)程中產(chǎn)生的煙梗、碎片、煙末、灰棒、低次煙葉等原料，配以其他非煙草纖維原料、添加劑等，采用制漿造紙的方法制成形狀接近天然煙葉的薄片。造紙法再造煙葉在節(jié)約煙葉原料、降焦減害、增香保潤(rùn)、突出卷煙產(chǎn)品風(fēng)格特征等方面都具有較強(qiáng)的功能型作用[1-6]，已成為中式卷煙重要和不可或缺的原料。碳酸鈣是造紙法再造煙葉生產(chǎn)過(guò)程中重要的添加劑，其作用是減少漿料纖維之間的氫鍵[7]，有利于提高基片的松厚度和涂布液的滲透，降低再造煙葉焦油和 CO 等物質(zhì)的釋放量[8-10]。目前，造紙法再造煙葉在添加碳酸鈣的過(guò)程中，普遍存在留著率低的問(wèn)題，即物料利用率低，造成浪費(fèi)，同時(shí)碳酸鈣的流失對(duì)污水處理也會(huì)帶來(lái)較大的負(fù)面影響。因此，提高碳酸鈣留著率一直是再造煙葉領(lǐng)域研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。在造紙工業(yè)，白雯銳等[11]采用淀粉對(duì)碳酸鈣進(jìn)行改性、王慧萍等[12]采用環(huán)氧氯丙烷交聯(lián)陽(yáng)離子淀粉對(duì)碳酸鈣進(jìn)行包覆改性、Shen Jing 等[13]采用羧甲基纖維素 / 硫酸鋁對(duì)碳酸鈣進(jìn)行包裹來(lái)提高填料的留著率。在煙草工業(yè)，嚴(yán)新龍[14]和曾健[15-16]等研究了添加木漿纖維和瓜爾膠對(duì)碳酸鈣留著率的影響、胡惠仁等[17]利用殼聚糖 / 膨潤(rùn)土微粒助留助濾體系等來(lái)提高碳酸鈣的留著率，但是碳酸鈣不同改性方式對(duì)造紙法再造煙葉的影響研究比較少。本文對(duì)比研究了 4種碳酸鈣改性方式：直接添加、淀粉與助留劑一起加入、淀粉改性、煙梗纖維 - 淀粉改性對(duì)造紙法再造煙葉的微觀結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)及煙氣指標(biāo)的影響。其中煙梗纖維 - 淀粉改性碳酸鈣提高碳酸鈣留著率的方法未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道，中試實(shí)驗(yàn)表明該方法能有效提高碳酸鈣的留著率，可為卷煙紙等紙類產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。
1 材料與方法
1.1 材料和設(shè)備
1.1.1 試劑
陽(yáng)離子淀粉（山東福洋生物公司）、硬脂酸鈉（蘇州誠(chéng)億達(dá)公司）、六偏磷酸鈉（江蘇瑞多生物公司）均為食品級(jí)；煙梗、煙末由重慶中煙工業(yè)有限責(zé)任公司提供；殼聚糖、瓜爾膠、膨潤(rùn)土、外加纖維、輕質(zhì)碳酸鈣由山東瑞博斯煙草有限責(zé)任公司提供。
1.1.2 儀器
磁力攪拌器（上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司）、ZQS2-23 型打漿機(jī)（陜西科技大學(xué)機(jī)械廠）、ZQS4 型 纖 維 解 離 器（ 陜 西 科 技 大 學(xué) 機(jī) 械 廠）、ZQS12-100 型打漿度測(cè)試儀（陜西科技大學(xué)機(jī)械廠）、ZQJ1-B- Ⅱ紙樣抄取器（陜西科技大學(xué)機(jī)械廠）、丹佛快速水分測(cè)定儀（北京賽多利斯公司）、ZKW-03型薄片抗張強(qiáng)度測(cè)定儀（四川長(zhǎng)江造紙儀器廠）、ZUS-4 型紙張厚度測(cè)定儀（北京恒奧德科技有限公司）、TM-3000 掃描電子顯微鏡（日本日立公司）、QS-1 切絲機(jī)、200A 型吸煙機(jī)（德國(guó) Borgwaldt 公司）。
1.2 方法
1.2.1煙草原料的處理
將煙梗、煙末分別浸泡水提（溫度 80℃ ±5℃，固液比為 1：4），提取 2 次后，用 100 目尼龍網(wǎng)過(guò)濾，提取后的煙梗固體物通過(guò)打漿機(jī)制備成打漿度為 20 ~ 23 ºSR 的煙梗漿料、煙末固體物通過(guò)打漿機(jī)制備成打漿度為 20 ~ 23 ºSR 的煙末漿料，木漿直接通過(guò)打漿機(jī)制備成打漿度為 39 ~ 41 ºSR 的木漿漿料（上述初級(jí)煙草打漿之前加水配置成 1.5 % 的濃度）。
1.2.2 改性碳酸鈣的制備
（1）實(shí)驗(yàn)優(yōu)化：選擇煙梗纖維 - 淀粉改性碳酸鈣的方法進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)煙梗纖維、淀粉、硬脂酸、六偏磷酸鈉、殼聚糖、瓜爾膠、膨潤(rùn)土 7 個(gè)因素采用均勻設(shè)計(jì)法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)[18]
，采用二次多項(xiàng)式逐步回歸方法得到模型，然后進(jìn)一步通過(guò)驗(yàn)證組得到改性優(yōu)化方案，以下改性對(duì)比實(shí)驗(yàn)均在此優(yōu)化方案下進(jìn)行。
（2）淀粉改性碳酸鈣：將陽(yáng)離子淀粉在 95 ℃下糊化 30 min后待用[10]。按照碳酸鈣質(zhì)量占煙草漿料絕干質(zhì)量15 %的比例，在三口燒瓶中加入輕質(zhì)碳酸鈣（PCC），配成 2 % 水懸浮液，然后依次加入相對(duì)于 PCC 質(zhì)量20% 的陽(yáng)離子淀粉（2 % 水溶液）、相對(duì)于PCC 質(zhì)量 1 % 的硬脂酸鈉（1 % 水溶液）、相對(duì)于 PCC 質(zhì)量 0.6 % 的六偏磷酸鈉 （1 % 水溶液），每步反應(yīng)均在 50 ℃，300 r/min 下混合 20 min，即得到淀粉改性的碳酸鈣。
（3）煙梗纖維 - 淀粉改性碳酸鈣：按照相同的比例，在三口燒瓶中加入 PCC (2 % 水懸液 )，然后依次加入相對(duì)于 PCC 質(zhì)量 30 % 的煙梗纖維漿料、相對(duì) PCC 質(zhì)量 20 % 的陽(yáng)離子淀粉（2 % 水液），再依次加入相對(duì)于 PCC 質(zhì)量 1 % 的硬脂酸鈉 （1 % 水溶液）、相對(duì)于 PCC 質(zhì)量 0.6% 的六偏磷酸鈉（1 %水溶液），每步反應(yīng)均在 50℃，300 r/min 下混合 20 min，即得到煙梗纖維 - 淀粉改性的碳酸鈣。
1.2.3 基片的制備
將配比好的漿料（煙梗 : 煙末 : 木漿 =6: 4: 0.5）濃度調(diào)配到 20 % 后分別加入一定量的經(jīng)過(guò)不同方式處理過(guò)的 PCC（碳酸鈣質(zhì)量占煙草漿料絕干質(zhì)量的15 %），用攪拌器攪拌 5 min 后依次加入由殼聚糖 （1 % 水濃度）、瓜兒膠（1 % 水濃度）、膨潤(rùn)土 （1 % 水濃度）組成的多元復(fù)合助留助濾體系（殼聚糖、瓜兒膠、膨潤(rùn)土的質(zhì)量分別占煙草漿料絕干質(zhì)量的 0.15 %，0.10 %，1.50 %）。其中，在淀粉與助留劑一起添加的方式中，淀粉、硬脂酸鈉和六偏磷酸鈉改性劑是與助留助濾體系一起添加的。在 ZQJ1-B- Ⅱ紙樣抄取器上抄片、烘干，即得到再造煙葉的基片，每個(gè)試驗(yàn)樣品 5 片，重復(fù) 3 次。
1.2.4 手抄片物理性能的測(cè)定
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抗張強(qiáng)度按照標(biāo)準(zhǔn) GB/T 453-2002 進(jìn)行測(cè)定；厚度按照標(biāo)準(zhǔn) GB/T 451.3-2002 進(jìn)行測(cè)定。
1.2.5 漿料留著率與填料留著率的測(cè)定
（1）煙草漿料留著率的測(cè)定：將煙草漿料用自來(lái)水配成 0.5 % 的濃度，然后量取相當(dāng)于 2.5g 絕干漿的 500m L 煙草漿料，加入助留劑攪勻后轉(zhuǎn)移到動(dòng)態(tài)濾水儀（DDJ）中，在一定的速度下攪拌 70s。打開(kāi)排水閥，取最初的 100m L 濾液，用已恒重的濾紙過(guò)濾后烘干、稱重。由式（1）計(jì)算漿料留著率：
R =(S0-5S )/S0×100 =(1-C/C0) ×100 （1）
式中：
R—漿料留著率，%，
S0—500 m L 紙料中固形物質(zhì)量，g；
S—100 m L 濾液中固形物質(zhì)量，g；
C0—紙料的濃度，%；
C—濾液的濃度，% 。
（2）填料留著率測(cè)定：按照 GBT 742-2008 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定，將手抄片在 575 ℃的溫度下灼燒 4 h。由式（2）計(jì)算填料留著率。
X =(M1/M2)×100%-X1 （2）
式中：
X—填料留著率，%，
M1—灼燒后灰分的質(zhì)量（g）；
M2—灼燒前紙張絕干質(zhì)量（g）；
X1—紙漿的灰分含量（%）。
1.2.6 碳酸鈣和再造煙葉基片的微觀形貌表征
碳酸鈣表征方法：將不同改性方式的樣品懸浮液滴在載玻片上，低溫烘干后進(jìn)行掃描電鏡(SEM)觀察；再造煙葉基片表征方法：將樣品截成兩小段，用導(dǎo)電性膠帶固定于樣品臺(tái)上，通過(guò) SEM 觀察樣品的表面和橫切面，分別選取不同倍數(shù)的圖片。電鏡工作電壓 20 k V，放大倍數(shù) 500 ~ 3000 倍。
1.2.7 中試試驗(yàn)
在山東瑞博斯煙草有限公司進(jìn)行中試試驗(yàn)，其中碳酸鈣直接添加的方式采用現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝，收集相關(guān)數(shù)據(jù)；淀粉改性碳酸鈣、煙梗纖維 - 淀粉改性碳酸鈣的試驗(yàn)按照實(shí)驗(yàn)室的比例在 10 L 的反應(yīng)釜中進(jìn)行放大實(shí)驗(yàn)，平行試驗(yàn) 2 次，然后將改性碳酸鈣按比例泵送加到漿池中，進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)；淀粉與助留劑一起添加的方式是在現(xiàn)有生產(chǎn)工藝上，將淀粉等改性劑與助留劑一起加入，每個(gè)中試樣品取 100 kg 待用。
1.2.8 再造煙葉片基的煙氣測(cè)定
將中試試驗(yàn)的再造煙葉樣品進(jìn)行人工切絲，制成煙支樣品，規(guī)格為84(34+54) mm×24.2mm。對(duì)樣品進(jìn)行重量分選，單支克重范圍 850±50 mg，將樣品在相對(duì)濕度 (60±2) % 和溫度 (22±1) ℃下平衡 48 h，然后按照標(biāo)準(zhǔn) GB/T 19609-2004測(cè)定總粒相物和焦油，按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23356-2009 測(cè)定 CO。
1.2.9再造煙葉在卷煙中的添加
將再造煙葉絲按照 5 % 的比例添加到純?nèi)~絲葉組配方中，制成卷煙樣品，規(guī)格為 84(34+54) mm×24.2 mm，對(duì)樣品進(jìn)行分選，單支重量范圍 920±50 mg，吸阻范圍 1050 ±200 Pa，進(jìn)行感官評(píng)價(jià)。
2 結(jié)論
(1) 實(shí)驗(yàn)室條件下，采用直接添加、淀粉與助留劑一起加入、淀粉改性、煙梗纖維 - 淀粉改性 4 種不同的碳酸鈣改性方式，煙草漿料留著率、碳酸鈣留著率依次得到提高，其中煙梗纖維 - 淀粉改性方式的效果最顯著，煙草漿料留著率和碳酸鈣留著率分別達(dá)到了 90.37% 和 90.53%；
(2) 煙梗纖維 - 淀粉改性的方式可以實(shí)現(xiàn)碳酸鈣在基片上均勻分布，并且有效提高基片的抗張強(qiáng)度和松厚度等物理性能；
(3) 中試條件下，4 種改性方式所生產(chǎn)的再造煙葉樣品的碳酸鈣含量和留著率依次提高，其中煙梗纖維 - 淀粉改性方式的效果最佳，其樣品碳酸鈣含量和留著率分別達(dá)到 10.8% 和 72.0%。4 種改性方式所生產(chǎn)的再造煙葉制成的煙支樣品的焦油與 CO 含量依次降低，其中煙梗纖維 - 淀粉改性方式的焦油和 CO 含量分別為 5.98 mg/ 支和 11.10 mg/ 支；
(4) 煙梗纖維 - 淀粉改性方式能有效地提高碳酸鈣的留著率和均勻性，可為卷煙紙以及其它紙品的開(kāi)發(fā)應(yīng)用提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。
來(lái)源：中國(guó)知網(wǎng)
