卷烟纸技术研究进展

卢昕博　戴　路　张　博　牛芳芳　史春云　吴志宏　焦　阳　周国俊　陶　丰　杨　君，*

(1.浙江中烟工业有限责任公司技术中心，浙江杭州， 310024; 2.杭州利群环保纸业有限公司，浙江杭州，310018)

卷烟纸(cigarette paper)是一种专供包卷烟草制作香烟的薄页型纸，定量25～30 g/m2，白度82%～87%，透气度30～110 CU，致密、柔软细腻，具有较高的纵向抗张强度、一定的透气性和适合的燃烧速度。卷烟纸的主要原料是木浆，纸面上有罗纹印记(由机上罗纹辊或机外干压辊压成)，以增加其透气度和改善外观。20年前，卷烟纸的作用就是在速度5000～6000 支/min卷烟机上卷包烟丝，以得到结实无缺的烟支[1]。卷烟纸作为卷烟主要辅料约占烟支总质量的5%，尽管比例小，但它对卷烟整体性的影响却远大于其他非烟草组分，对卷烟品质、燃烧性能、烟气化学成分均有较大影响。

自中国于2003年11月10日正式签署《烟草控制框架公约》以来及近些年对吸烟与健康关系研究的不断深入，卷烟降焦减害日益受到人们关注。自2009年起，国家烟草专卖局针对卷烟降焦减害技术、增香保润以及新型卷烟等分别制定了5～10年的重大专项规划，并围绕重大专项开展研究。卷烟辅助材料“三纸一棒”是卷烟降焦减害重要手段之一，相关技术已大量应用于卷烟生产。本文主要综述了近些年科研工作者围绕烟草行业重大专项所做的关于卷烟纸的技术研究成果，分别从卷烟降焦减害技术、增香保润、新型烟草制品、燃烧特性以及功能化卷烟纸等方面进行阐述，期望对烟用卷烟纸开发提供新思路，将卷烟纸技术与烟草行业未来研究方向有效结合。

1　降焦减害

目前，烟草行业主流的降焦减害技术是添加再造烟叶和辅材“三纸一棒”设计。与接装纸和成型纸相比，卷烟纸最主要的特点是在卷烟抽吸时直接参与燃烧。因此，卷烟纸对卷烟烟气中主、侧流烟气以及常规焦油、CO等多种有害成分释放量有显著影响。科研工作者从卷烟纸的物理性能设计、助燃剂使用及添加其他功能材料等方面对卷烟纸进行了优化设计，在降焦减害方面取得了一定的进展。

1.1　物理参数

烟支点燃后需要持续供给氧气才能维持燃烧。卷烟抽吸时，卷烟纸是影响空气流量的重要因素。卷烟纸物理性能如透气度、定量等的变化都会引起燃烧状态及燃烧温度差异，进而影响烟气化学指标。张国强等[2]研究了卷烟纸的透气度等参数对卷烟主流烟气中氨释放量的影响；结果表明，提高卷烟纸透气度可在一定程度上选择性降低卷烟主流烟气中的粒相物氨释放量。随着卷烟纸定量增加[3]，卷烟单口焦油释放量呈上升趋势，卷烟总焦油释放量、B[a]P和苯酚释放量呈下降趋势，巴豆醛、NH3和HCN的释放量无显著变化。通过对卷烟纸进行优化，可以改善供氧量，进而影响CO释放量。陈泽亮等[4]在研究燃烧过程中炭化线附近卷烟纸微孔结构变化与主流烟气CO释放量之间的关系时发现，烘烤后卷烟纸总孔容(特别是0.1～8.0 μm孔径)越大，CO释放量越低。炭化线附近卷烟纸微孔数目增加可使CO扩散作用与空气稀释作用均增强，使主流烟气中CO释放量降低0.7～1.0 mg/支。烟气中CO含量随卷烟纸透气度增大呈线性降低趋势[5]；当卷烟纸透气度提高到80 CU后，主流烟气中CO释放量下降趋势不明显[6]。

1.2　助燃剂

助燃剂通过调节烟支的燃烧温度和燃烧状态来影响烟气有害成分的释放。助燃剂种类及用量会影响烟气化学成分的释放。彭志光等[7]发现，CO释放量与温度积分显著相关。罗彦波等[8]采用偏最小二乘(PLS)回归法建立了卷烟多因素预测模型，发现主流烟气中7种有害成分释放量随卷烟纸助燃剂含量增加呈降低趋势。提高助燃剂含量以及钾盐含量比例，可以在一定程度上选择性降低卷烟主流烟气中粒相物氨的释放量[2]。黄朝章等[9]发现，卷烟纸助燃剂含量变化对卷烟主流烟气中7种有害成分释放量影响最大，其次是助燃剂类型的影响，这与郑琴等[10]的研究结果一致。尹升福等[11]研究发现，柠檬酸钾可促使主流烟气中CO释放量显著降低，而醋酸锌、醋酸钙、氯化钙和氯化锌可使主流烟气中CO释放量显著增加。连芬燕等[12]研究发现，CO释放量随着助燃剂中钾/钠比例升高、卷烟纸定量降低及滤嘴通风率增加呈下降趋势；但随着助燃剂用量增加，CO释放量均呈先下降后缓慢上升趋势，在用量为1.5%时，CO释放量下降率最高[13]。

1.3　功能材料

有研究人员制备了对烟气有害成分具有特异吸附性能或能与有害成分发生选择性化学反应的功能材料，并添加到卷烟纸上以达到选择性减害目的。聂聪等[14]将具有较大比表面积的多孔载体如离子交换树脂等与不同金属离子络合后得到金属络合材料，并添加到卷烟纸上，使卷烟主流烟气中有害成分HCN降低13%。郑屹[15]将从菊花、罗布麻、淡竹叶、迷迭香、黄芪、蒲公英或白花蛇舌草中得到的提取物与柠檬酸盐和苹果酸盐混合后制得添加剂，并负载于卷烟纸上，能够选择性降低20%～40%巴豆醛、15%～25%酚类、15%～30%HCN。侯轶等[16]研究了将Mg(OH)2部分代替CaCO3作为卷烟纸填料对卷烟侧流烟气的影响；研究发现，Mg(OH)2的添加可降低卷烟纸热解温度，从而影响卷烟的燃烧状态，侧流烟气中总粒相物含量下降显著。

2　增香保润

国内外通常采用通风稀释的手段来降低卷烟的焦油量以减轻吸烟对人体的危害，如高透卷烟纸、成型纸的使用，接装纸的打孔等[17]。但随着卷烟焦油量的降低，烟味变淡，香气减弱，卷烟产品等失去原有的风格，难以被消费者接受。因此，对卷烟纸的加香技术得到越来越多的应用，目前主要采用的是微胶囊技术和提取物涂布技术。

2.1　微胶囊技术

微胶囊化(Microencapsulation)是一种用成膜材料将把固体或液体包覆以形成微小粒子的技术[18]。将高挥发性的香料通过微胶囊包覆，可以提高香料的稳定性，使其能够在燃吸状态下释放出香气成分，起到改进卷烟主流烟气味道与品质作用，达到增香目的。秦艳等[19]优化了沉香精油微胶囊制备工艺，加香实验表明，沉香精油微胶囊能使卷烟具有甜润感，且烟气柔和细腻。还有研究人员将胶囊化红枣香精[20]、分子囊化薄荷脑[21]添加到卷烟纸中进行卷烟加香感官评价，应用实验表明，微胶囊化香精香料能有效地掩盖卷烟杂气，有效降低卷烟刺激性，并使其具有甜润感，烟气柔和细腻，有效地改善了抽吸舒适感。

2.2　提取物涂布

将提取物涂布在卷烟纸上，当烟支燃烧时，卷烟纸上的提取物通过挥发、裂解等方式释放香味成分达到增香保润目的。何金星等[22]将甲基纤维素、黏合剂、红景天提取物混合后通过凹版或柔版印刷工艺将这些混合物印刷在全麻或半麻卷烟纸上，制成含有红景天提取物的彩色卷烟纸，对卷烟抽吸具有调香、提香、谐香等作用。杨绍文等[23]利用烟草提取物、红茶、橡子果壳、核桃果壳、可可壳的天然提取物制备涂布液，开发出符合市场需求的棕色卷烟纸，并成功应用在“玉溪(和谐)”产品上。向能军等[24]以甘草酸钾作为改善剂添加到卷烟纸上，其不仅对卷烟纸具有助燃功效，还能够减少卷烟纸燃烧产生木质气引起的不舒适性，提升了烟气香气质和圆润性，改善了吸味。

3　新型烟草制品

新型烟草制品是2014年国家烟草专卖局下达的重大专项，主要包括无烟气烟草制品、新型卷烟(加热不燃烧卷烟)和电子烟。目前，国际市场上具有代表性的新型卷烟有电加热型和碳加热型产品，其特征是不直接燃烧烟支而是通过加热烟草材料释放烟气，减少了烟草因高温燃烧裂解产生的有害成分，降低了主流烟气危害成分的含量。抽吸新型卷烟时，烟支只加热不燃烧，因此需要卷烟纸具有较高燃点以避免点燃。目前，关于加热器具的研究有一些报道，但用于加热非燃烧产品的高燃点卷烟纸技术基本未见报道。

杨继等[26]分析研究了空气氛围下典型性碳加热卷烟“Eclipse”2段卷烟纸的热解行为；结果表明，含金属箔卷烟纸(一段) 在空气中有3个质量损失阶段：212～371℃时质量损失63%为第一阶段，350℃时主要是卷烟纸中的纤维素热分解；372～479℃时质量损失17% 为第二阶段，随着温度的升高，纤维素发生强烈的分解反应，产生一些低分子挥发性产物，这些产物继而分解成小分子气体；380～693℃时质量损失5%为第三阶段，卷烟纸中的CaCO3热分解为CaO和CO2。不含金属箔卷烟纸(二段)的热行为同样可分为3个阶段。其在361℃时比有铝箔层卷烟纸质量损失更快，按热焓变化和质量比例计算出“Eclipse”卷烟纸(二段无金属箔)CaCO3含量约为12%，比第一段卷烟纸的CaCO3含量低。

4　燃烧特性研究

卷烟辅助材料“三纸一棒”中只有卷烟纸直接参与卷烟燃烧，这就要求卷烟纸与烟丝的燃烧速率必须相匹配才能获得较为理想的燃烧效果。研究发现[27]，在烟支点燃过程中，温度上升到300℃时，烟丝中挥发性成分开始挥发而形成烟气；温度上升到450℃时，烟丝开始焦化；温度上升到600℃时，烟支被点燃开始燃烧。烟支燃烧有2种形式：一种是抽吸时燃烧，称为吸燃；另一种是抽吸间隙的燃烧，称为阴燃(亦称为静燃)。

4.1　阴燃

阴燃速率作为卷烟纸的一项重要指标，其稳定性不仅有效地控制了卷烟纸和卷烟烟丝的燃烧匹配度，而且一定程度上影响卷烟阴燃速率、烟气释放量及卷烟包灰质量。

于龙国[28]研究发现，卷烟纸的定量、助燃剂含量、助燃剂种类及施加比例等对其阴燃速率均有不同程度影响。卷烟纸中柠檬酸钠或柠檬酸钾助燃剂含量增加，卷烟阴燃速率增大[29]；助燃剂含量相同时，柠檬酸钾比例增加，卷烟阴燃速率增大。卷烟纸定量与卷烟纸阴燃速率相关性R2=0.9921[30]；随着透气度和助燃剂含量升高，阴燃速率均有降低趋势。王颖[31]重点研究了卷烟纸中有机酸含量(PN值)对卷烟纸阴燃速率的影响，当PN值小于80时，随着PN值的增大，其阴燃速率变小；PN值超过80时，随着PN值的增大，卷烟纸阴燃速率下降不明显。

4.2　燃烧机理研究

目前，模拟卷烟燃烧状态运用较多的分析手段是热裂解和热重分析技术。

热裂解-气相色谱质谱法(Py-GC/MS)主要用于卷烟纸燃烧产物成分分析。张国强等[32]采用Py-GC/MS对8种卷烟纸浆料分析时发现，随着热裂解温度的升高，浆料逐步产生了呋喃类、酯类、苯酚类、茚类、烃类、苯类、稠环芳烃类及吡喃葡萄糖等物质；在700℃热裂解温度下，2种针叶木浆热裂解后产生醚类物质，2种亚麻浆热裂解产物数量达60种以上。针叶木浆、阔叶木浆、麻浆与烟草浆样纤维的热解行为反映的主要是纤维素、半纤维素2种组分的热解，同时烟草浆料热解过程受木素和丰富的溶剂抽提物热解影响，其与针叶木浆、阔叶木浆及麻浆纤维原料热失重过程有明显差异[33]。阔叶木浆可裂解出3-戊烯- 2-酮、糠醛、2-甲基-苯酚和壬酸等47种产物[34]。麻浆可裂解出3-戊烯- 2-酮、糠醛、2-甲基-苯酚和庚酸等32种产物[35]。木浆卷烟纸与麻浆卷烟纸裂解产物种类均为11类121种，热裂解产物中60%为酮类和酯类；麻浆卷烟纸的热裂解产物释放量更为稳定[36]。此外，对添加4种钾盐的卷烟纸的研究在一定程度上解释了卷烟纸助剂降CO、降焦以及对卷烟吸味影响的原因[37]。

热重分析(TG)主要用于研究卷烟纸热解温度。Zhao等[38]采用TG研究了羧酸钾作为燃烧促进剂对卷烟纸热降解动力学和热性能的影响。卷烟纸热失重起始温度及最大质量损失速率温度点与钾盐的含钾量有关[13]。随着草酸钾用量增加，卷烟纸热解起始温度降低，在200～300℃时反应活化能降低[39]。卷烟纸中钾、钠、镁和锌盐4 种金属元素能够降低纤维素热解活化能，其中钾和钠元素的催化作用较为明显[40]。

除了热裂解和热重分析手段外，研究人员还采用一些新方法来研究卷烟燃烧机理。朱文辉等[41]将液相微萃取技术应用于流动载气条件下热重逸出组分的吸附，设计并制造了热重-流动载气液滴微吸附联用装置，该装置在复杂逸出组分分析方面具有明显优势。Zhou等[42]分别采用微尺度燃烧量热法(micro-scale combustion calorimetry，MCC)和热重-红外分析法(TG-FT-IR)研究了卷烟阴燃时卷烟纸的燃烧特性和热解行为。Huang等[43]使用PRS- 2卷烟纸阴燃速率测试仪的视觉传感器，通过先进的计算机影像制造加工工艺来确定和鉴别卷烟纸燃烧过程。谢国勇等[44]利用改进的Rosin-Rammler(R-R)分布模型考察了透气度40～80 CU的卷烟纸对卷烟燃吸温度分布特征的影响。Zhao等[45]利用TGA-FT-IR研究了无机和有机钾盐对卷烟纸热裂解性的影响。李斌等[46]利用微细热电偶对卷烟燃吸过程的温度变化进行检测，建立了以燃烧锥体积V0、特征温度Ts和分布参数N为特征量的卷烟燃吸温度分布表征方法。

5　功能化卷烟纸

5.1　烟草色卷烟纸

谢益民等[47]以烟梗制备的机械浆为主要原料(加入少量木浆和麻浆)，同时添加一定量的填料(CaCO3、TiO2和MgO)，制备了重组烟叶基片，经烟草萃取液涂布后制备重组烟叶型雪茄烟纸。安瑞等[48]以烟梗为原料制备的化学机械浆(CMP)与少量木浆纤维配抄烟草薄片原纸，通过优化打浆工艺，经烟草萃取液涂布后制备烟草薄片型卷烟纸；经感官评价，与普通雪茄烟纸相比，烟草薄片型卷烟纸具有木质杂气减少，刺激性降低等优点[49]，品质得到提升。

5.2　低引燃倾向(Low ignition propensity，LIP)卷烟纸

吸烟所引起的火灾问题使得许多国家纷纷出台法律要求卷烟必须用燃点低的纸张卷制，这种卷烟纸要求被置于一些可燃物体表面上时，不会引燃这些物体，或者可以自动熄灭，但是同时又不能影响香烟的正常抽吸。

王启成[50]研究发现，多糖类物质具备采用印刷涂布方式生产LIP卷烟纸的条件，满足工业化批量生产及产品标准要求。丁丽婷等[51]对LIP卷烟纸的原纸透气度、助燃剂含量和阻燃带扩散率进行优化。黄晓钢等[52]开发了以一种成膜性好的多糖类物质以及CaCO3作为涂料的配方，按一定间隔涂布于卷烟纸表面以形成阻燃带，通过降低卷烟纸阻燃带透气性来达到降低卷烟引燃倾向的目的。

6　结语与展望

卷烟纸虽然仅是整支烟的一小部分，但却直接影响卷烟燃烧后的烟气组分。目前，卷烟纸的研究主要集中在降焦减害技术上，该技术对卷烟主流烟气效果影响非常明显；同时还有较多研究集中在利用热裂解和热重结合气质联用技术来模拟卷烟燃烧分析上。而对于卷烟纸增香保润技术及新型卷烟适用的高燃点卷烟纸的研究较少。

卷烟纸基本都由木质纤维组成，燃烧产生木质气和刺激性。因此，开发烟草本香型卷烟纸，并结合卷烟叶组配方、烟草潜香物质的应用，在彰显卷烟风格和个性化特征方面有重要意义。

新型卷烟则是一个全新的领域，相关研究报道较少，尤其是用于新型卷烟的卷烟纸基本未见报道，这也是卷烟纸生产的新研发方向。譬如研发用于加热非燃烧烟草制品的卷烟纸，加热非燃烧烟草制品是将特制烟支置于加热器具中进行加热。因此，研发易于传递热量且不易燃烧的高燃点卷烟纸以及加热过程中可让烟气快速扩散出来的卷烟纸，都是新型卷烟纸未来重点研究的方向。