针叶木浆纤维对再造烟叶主流烟气中挥发性羰基化合物的影响机制研究

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再造烟叶,又名烟草薄片,是利用卷烟生产过程中废弃的烟梗、烟末和碎烟片等烟草下脚料作为原料制成片状或丝状的再生产品。我国再造烟叶原料主体来自烤烟烟叶,由于存在萃取浓缩、打浆抄造、高温干燥以及添加木浆纤维等重组工艺,造纸法再造烟叶的品质与烤烟烟叶存在较大的差异。本课题对造纸法再造烟叶与烤烟烟叶的品质进行了分析比较,针对造纸法再造烟叶主流烟气中羰基化合物释放量较高的问题,探讨了加工工艺对羰基化合物形成的影响,并对其影响原因做了进一步的分析探讨,旨在降低烟气中羰基化合物的释放量。主要的研究内容和实验结果如下:首先比较了三种造纸法再造烟叶与烤烟烟叶在化学组成、热力学性质、烟叶和烟气香味成分以及主流烟气有害成分释放等方面的差异,结果表明:再造烟叶主流烟气中水分含量显著高于烤烟烟叶,而焦油和烟碱的释放量显著低于烤烟烟叶。再造烟叶热裂解主要分为四个热失重阶段,而烤烟烟叶由于还原糖含量较高,热裂解分为五个阶段。其中,再造烟叶的裂解速率和燃烧速率均明显高于烤烟烟叶,导致其抽吸口数显著低于烤烟烟叶。因此,将再造烟叶添加到卷烟中可以有效降低卷烟抽吸时的干燥感,是烟草行业“降焦减害”有效手段之一。然而,再造烟叶总氮、烟碱、总糖、还原糖以及烟叶和烟气中香味成分含量均显著低于烤烟烟叶,从而导致再造烟叶吃味平淡,烟气劲头小,刺激性大,香气质量差。此外,再造烟叶主流烟气中挥发性羰基化合物的释放量为208μg/口左右,显著高于烤烟烟叶的153μg/口。由于挥发性羰基化合物具有较强的刺激性和致癌性,导致再造烟叶在卷烟中高比例添加受到一定的限制。针对再造烟叶主流烟气中羰基化合物释放量显著高于烤烟烟叶的问题,考察了造纸法再造烟叶生产过程中原料产地、涂布液组成、涂布液浓缩温度、纸基组成、外加纤维种类、针叶木浆纤维加入量和涂布率等对主流烟气中羰基化合物释放量的影响,结果表明:提取液浓缩温度和纸基组成对羰基化合物释放量无显著影响;原料产地和涂布率对羰基化合物释放量影响较小,释放量增加均在5%以内;针叶木浆纤维是影响再造烟叶主流烟气中羰基化合物释放量的主要因素,羰基化合物的释放量随针叶木浆纤维加入量的增加而显著增加,当添加量从7%增至12%时,羰基化合物释放量增加了10.2%。此外,考察了针叶木浆纤维加入量对再造烟叶品质的影响,结果表明:针叶木浆纤维的加入量对再造烟叶的厚度和定量无显著影响,但填充值、纸张的抗张强度和CO释放量均随针叶木浆纤维加入量的增加而显著增加。当针叶木浆纤维添加量从7%增至12%时,再造烟叶的填充值、抗张强度和CO释放量分别增加了22%、31%和10%。为了分析针叶木浆纤维促进主流烟气中羰基化合物形成的原因,首先对针叶木浆纤维,烟梗纤维,针叶木浆纤维再造烟叶(SP-RT)和烟梗纤维再造烟叶(TP-RT)的热力学性质和气体产物释放进行了研究,结果表明:两种纤维的热裂解起始温度为284oC,两种再造烟叶的热失重曲线开始出现明显差异的温度也为284oC。针叶木浆纤维的热裂解最大失重速率为94.1%/min,明显高于烟梗纤维的62.3%/min,其再造烟叶热裂解最大失重速率也明显高于TP-RT。针叶木浆纤维气体产物释放曲线的峰面积为65.21,明显高于烟梗纤维的49.63,其再造烟叶气体产物释放曲线峰面积也明显高于TP-RT。两种纤维与两种再造烟叶在热力学性质及气体产物释放特性方面的差异比较显示,SP-RT与TP-RT在热力学性质和气体产物释放方面产生的差异主要来源于针叶木浆纤维和烟梗纤维自身的差异。两种再造烟叶等温氧化热裂解实验进一步表明,针叶木浆纤维的热裂解比烟梗纤维的热裂释放更多的羰基化合物:在284oC热裂解时,两种再造烟叶羰基化合物释放量处于同一水平,但在800oC热裂解时,SP-RT羰基化合物释放总量为8.51mg/g,显著高于TP-RT的7.48mg/g。为了分析针叶木浆纤维和烟梗纤维在羰基化合物释放方面存在差异的原因,实验分析了两种纤维的单糖组成以及各种单糖裂解时羰基化合物的释放量,结果表明:烟梗纤维含有五种单糖,其中果糖是烟梗纤维特有的组成单糖,含量为13.52%,而针叶木浆纤维仅由3种单糖组成,甘露糖是针叶木浆纤维特有的单糖,含量为23.75%。等温氧化热裂解时,木糖羰基化合物释放量最高,为17.47mg/g,葡萄糖的最低,为14.27mg/g。果糖和甘露糖的释放量介于葡萄糖和木糖之间,无显著差异。因此,较高比例的木糖含量和较低比例的葡萄糖含量是导致针叶木浆纤维羰基化合物释放量显著高于烟梗纤维的主要原因。为了分析葡萄糖和木糖在羰基化合物释放量方面存在差异的原因,对葡萄糖和木糖进行了热重-傅里叶红外联用分析,结果表明:葡萄糖和木糖热裂解时羰基化合物都主要产生在热裂解阶段,且热裂解阶段都存在两个羰基化合物释放峰,木糖在初步裂解阶段的释放峰面积为5.33,明显高于葡萄糖的2.97,从而导致其羰基化合物释放量明显高于葡萄糖。针对再造烟叶羰基化合物释放量较高的问题,选用尿素、氯化铵、硫酸铵、磷酸氢二铵和磷酸二氢铵5种含氮化合物作为添加剂,考察它们对再造烟叶羰基化合物释放量的影响,并对它们降低羰基化合物释放量的原因做了进一步分析探讨。结果表明:5种含氮化合物均显著降低主流烟气中羰基化合物的释放量,其中氯化铵明显优于其它4种含氮化合物,羰基化合物释放量降低了46.2%。尿素降低羰基化合物释放量的主要途径是尿素与羰基化合物发生的化学反应,而其它4种含氮化合物,除了与羰基化合物发生化学反应外,还通过显著提高再造烟叶的热稳定性,阻滞再造烟叶主要成分燃烧的途径来降低羰基化合物的释放量。此外,氯化铵还可以显著增加再造烟叶主流烟气中水分的含量,降低有害成分酚类物质的释放量,当添加量为1.0%时,卷烟的香气、烟气、杂气和吸味都得到明显的改善。
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