水爆珠壁材配方

曹祥薇，彭三文*，杨光远，侯宁，车静，韩磊

1.湖北中烟工业责任有限公司（武汉 430040）；2.湖北中烟卷烟材料厂（武汉 430050）

烟用爆珠俗称胶囊、香珠，包裹由香精香料、中草药提取物和适量溶剂调制成的特色香味液体，在卷烟中添加爆珠是卷烟加香的一种原味补偿技术[1]。烟用爆珠中添加不同性质的内容物，可以丰富卷烟香气、改善卷烟吃味、降低卷烟有害成分[2]。常用卷烟爆珠壁材主要有植物胶类（如阿拉伯胶、海藻酸钠、卡拉胶）、淀粉及其衍生物（如各种类型糊精、低聚糖、淀粉衍生物）、蛋白质类（如明胶、酪蛋白、大豆蛋白、乳清蛋白）、多种纤维素衍生物（如CMC、乙基纤维素、甲基纤维素物质）和蜡（如虫蜡、石蜡、蜂蜡）等[3]，应用最广泛的卷烟爆珠芯材是以辛癸酸甘油酯，又称中链甘油三酯（medium-chain triglycerides，MCT，是无色、无味且沸点较高的液体[4]）为代表的酯溶性溶剂和酯溶性香精香料组成[5-6]。卷烟爆珠的壁材多为水凝胶，可溶于水或能够透水，无法有效包裹住水，以水作为芯材主要溶剂的卷烟爆珠未见报道。

卷烟感官的舒适度与烟气水分有较大关系[7-11]，研究发现烟气水分适宜则烟气柔和细腻、刺激性小、感官舒适性较好；烟气水分低时，会导致烟气干燥、刺激性变大、感官舒适性降低[12-14]。郑寿良等[8]的试验结果显示烟支水分的大小改变卷烟的香气、协调、杂气、刺激性和余味感官质量。市场上的常规卷烟大多数都存在卷烟抽吸喉部舒适性略有不足、干燥感突出的缺点。因此，必须通过烟气保润或补水的相关技术弥补此缺陷，改善卷烟的抽吸舒适性。其中，保润方法一般是在烟丝中加入甘油[15]、丙二醇、木糖醇或山梨醇[16]等，此类多元醇类保润剂虽可以维持加工过程中烟丝含水率，提高烟丝耐加工性，但由于该类添加剂是直接加入烟丝中的，会在抽吸时参与燃烧，造成烟气中引入其他的杂气，影响卷烟的感官品质，而在滤嘴段进行烟气补水则没有这方面的缺陷。因此，深入研究能够在滤嘴进行烟气补水的以水为主要溶剂的卷烟爆珠对卷烟抽吸品质的提升具有重要意义。

因水分子分子量较小，难以锁定，为锁定水分子，故以固化后致密度较高的光敏树脂（光敏树脂是一种由高分子组成的胶状物质。这些高分子如同散乱的链式交连的篱网状碎片。在光线照射下，这些高分子结合成交联聚合物高分子，同时聚合物由胶质树脂转变成坚硬物质[17]）为主要壁材并对其进行材料选取及其配方研究，根据文献的查阅及以往的预试验结果和经验，在水爆珠壁材配方中，基材比例80%左右为宜，性能调节材料比例17%左右为宜，引发剂比例3%左右为宜，4种生物基环氧树脂（生物基环氧树脂Green Poxy 56、生物基环氧树脂Green Poxy 33、生物基环氧树脂Infu Green 810、生物基环氧树脂Surf Clear Evo，基材）、4种性能调节材料（聚氨酯丙烯酸酯、聚酯丙烯酸树脂、聚醚丙烯酸树脂、丙烯酸十二脂）及4种光敏剂（Omnipol BP、Polymeric 910、Irgacure 127、Irgacure 754）可用作水爆珠壁材原材料，但对其复配后的成型效果及最优配方未作研究。试验以配方的成型结果及成型后水爆珠的粒径和压力值的检测数据对比，确定水爆珠壁材的最佳材料及最优配方，为水爆珠的工业化生产提供参考和借鉴。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

基材（主要成分为生物基环氧树脂Green Poxy 56、生物基环氧树脂Green Poxy 33、生物基环氧树脂Infu Green 810、生物基环氧树脂Surf Clear Evo，Sicomin公司）；性能调节材料（聚氨酯丙烯酸酯、聚酯丙烯酸树脂、聚醚丙烯酸树脂、丙烯酸十二脂，德国巴斯夫股份公司）；光敏剂（Omnipol BP、Polymeric 910、Irgacure 127、Irgacure 754，上海凯茵化工有限公司）；海藻酸钠、甘油（质量分数99.5%，云南巴菰生物科技有限公司）。

1.2 仪器与设备

304材质20 L化胶罐、双孔液中点滴式水爆珠滴丸机组、304材质干燥转笼、选丸工作台（云南巴菰生物科技有限公司）；ALH-G2电子天平（上海英展机电企业有限公司）；ZL23 烟用爆珠综合测试仪（成都瑞拓科技股份）；滴丸视觉检测仪（昆明旭邦机械有限公司）；超声波清洗机（深圳市钰洁清洗设备有限公司）；恒温数显水浴锅（常州天瑞仪器有限公司）；高精度数显游标卡尺（深圳市吉格机电设备有限公司）。

1.3 方法

1.3.1 芯液制备

取适量的纯净水，以着色剂染色备用（染色的目的在于方便观察水爆珠在滴制成型时的成型效果，便于判断壁材配方成型结果）。

1.3.2 保护液的制备

将水和防腐剂（山梨酸钾）按照10 000︰40的质量比混合，制备保护液。分别称取20 000 g水、80 g防腐剂，放入不锈钢桶内，加入一定量海藻酸钠，搅拌溶解，配制成海藻酸钠质量分数7%的保护液。

3.4.4 优势度指数。各土地利用方式大型土壤动物群落优势度指数（C）退耕湿地＞退耕林地＞农田＞森林＞湿地。

1.3.3 水爆珠壁材原料及配方的筛选

表2 水爆珠壁材原料配方因素水平表

1.3.4 水爆珠壁材配制

根据正交设计L16(43)得出16种水爆珠壁材配方，按照水爆珠壁材的配制流程（如图1所示）将基材、性能调节材料、光敏剂按照一定比例混合（如表1~表3所示），制备成水爆珠壁材液，基材树脂在水爆珠壁材中的主要作用是固化后构成胶皮的基本骨架，性能调节材料在水爆珠壁材中的主要作用是调节胶皮的力学强度、改善生水爆珠壁材的物理机械性能，引发剂在水爆珠壁材中的主要作用是接受或吸收光能后，本身发生化学变化，分解为自由基或阳离子，从而引发聚合反应[18]。

表1 水爆珠壁材原料配方表

表3 水爆珠壁材原料及配方正交表L16(43)

1.3.5 水爆珠的制备

水爆珠的生产工艺流程如图1所示。按照W爆珠壁材∶W芯液=8∶92，由定量泵通过滴丸装置同心圆滴头将芯液与爆珠壁材滴加到常温的质量分数为7%的海藻酸钠保护液里，在其下落过程中进行光照射，爆珠壁材逐渐固化成型，包裹密封芯液，形成水爆珠；接着通过落料槽筛网将水爆珠与海藻酸钠保护液分离，收集的水爆珠使用体积分数90%乙醇水溶液洗涤，风干，得到所述的水爆珠。

图1 水爆珠壁材配制流程

1.3.6 水爆珠外观的评价

按照YQ-CL/T 1—2019《中国烟草总公司企业标准》对烟用爆珠的外观的指标要求对水爆珠的外观进行评价，测统计水爆珠的气泡率、拖尾率和良品率，判断水爆珠壁材配方的成型结果。

在水爆珠的制备过程中，初步判断水爆珠壁材的成型效果，如果能滴制出水爆珠，则判定该水爆珠壁材能成型，反之则不能成型，即该水爆珠壁材配方不能滴制水爆珠。对初步判断能成型的水爆珠壁材配方再进行外观的检验、气泡率、拖尾率和良品率的统计。

外观的检验方法：随机选取5组水胶囊样品，每组100粒，采用滴丸视觉检测仪进行外观的检验。

气泡率的统计方法：随机选取5组水胶囊，每组100粒，置于选丸工作台上，统计含有气泡的水胶囊的数量，得到气泡率。

拖尾率的统计方法：随机选取5组水胶囊，每组100粒，置于选丸工作台上，统计拖尾的水胶囊的数量，得到拖尾率。

表4 水爆珠壁材成型结果评价标准

1.3.7 水爆珠的压破强度和粒径指标检测

对成型效果较佳的水爆珠壁材液按照YQ-CL/T 1—2019《中国烟草总公司企业标准》的规定进行物理指标检测，初步判断成型效果较佳的水爆珠壁材液的物理指标是否符合企业标准。

检测方法：对成型效果最佳的水爆珠，经清洗、风干、筛选后随机选取5组，每组50粒，使用ZL23烟用爆珠综合测试仪在施压速度为25 cm/min条件下，测定爆珠的粒径和压破强度，进行数据处理分析.判断水爆珠是否符合标准，从而确定较佳的水爆珠壁材配方。

2 结果和讨论

2.1 成型结果

采用L16(43)正交试验设计，以成型情况、外观、气泡率和拖尾率为评价指标，正交表评价结果见表5。

水爆珠壁材的成型结果如表5所示。聚醚丙烯酸树脂作为水爆珠壁材的性能调节材料时，在水爆珠的滴制过程中不能成型，因为多元醇改性的聚醚丙烯酸为亲水材料，具有亲水性的壁材对芯材的水分子具有较大的亲和能力，分子能透过氢键和水形成短暂键结，在水爆珠成型过程中破坏水爆珠壁材膜的完整性，导致水爆珠在滴制过程中不能成型。8，12和16号水爆珠壁材组合成型结果较佳，说明丙烯酸十二脂和Irgacure 754作为水爆珠壁材的调节材料和引发剂对水爆珠的成型都具有良好的效果，产品外观合格，气泡率和拖尾率都比较低。

表5 正交试验结果

2.2 压破强度和粒径检测

选取成型结果较优的试验号（8，12和16号），按照YQ-CL/T 1—2019《中国烟草总公司企业标准》的规定进行物理指标检测（压破强度、粒径），根据标准要求（粒径设计值±0.20 mm；压破强度＞7 N，设计值±4.0 N），检测粒径的设计值为3.5 mm，压力的设计值为15 N。

成型结果较优的8，12和16号试验的压破强度和粒径检测如表6、图2和图3所示。从表6可知，成型结果较优的3组试验的压破强度和粒径均符合YQ-CL/T 1—2019《中国烟草总公司企业标准》规定的物理指标要求。从图2和图3可知，在成型结果较优的3组试验中，12试验的检测结果优于其他两组，即12号优于16号，16号优于8号。

图2 水爆珠压力值检测结果

图3 水爆珠粒径检测结果

表6 水爆珠物理指标检测表

因此，生物基环氧树脂Surf Clear Evo、生物基环氧树脂Surf Clear 810、生物基环氧树脂Green Poxy 33用来当作水爆珠壁材的基材时，都能滴制出水爆珠，性能调节材料和引发剂相同时，基材为生物基环氧树脂Surf Clear 810的水爆珠壁材配方滴制出的水爆珠压破强度和粒径检测结果的标准差最小，说明生物基环氧树脂Surf Clear 810的成型效果要优于生物基环氧树脂Surf Clear Evo，生物基环氧树脂Surf Clear Evo的成型效果要优于生物基环氧树脂Green Poxy 33。丙烯酸十二脂和Irgacure 754作为水爆珠壁材的调节材料和引发剂对水爆珠的成型都具有良好效果，产品外观合格，气泡率和拖尾率都比较低。

3 结论

1) 在生物基环氧树脂Green Poxy 56、生物基环氧树脂Green Poxy 33、生物基环氧树脂Infu Green 810、生物基环氧树脂Surf Clear 810 Surf Clear Evo这4种基材中，生物基环氧树脂Infu Green 810生物基环氧树脂最适合作为水爆珠壁材液的基材。

2) 在聚氨酯丙烯酸酯、聚酯丙烯酸树脂、聚醚丙烯酸树脂、丙烯酸十二脂这4种性能调节材料中，丙烯酸十二脂最适合作为水爆珠壁材液的性能调节材料。

3) 在Omnipol BP、Polymeric 910、Irgacure 127、Irgacure 754这4种引发剂中，Irgacure 754最适合作为水爆珠壁材的引发剂。

因此，最适宜的水爆珠壁材原料及配方为80%生物基环氧树脂Infu Green 810、17%丙烯酸十二脂及3%Irgacure 754。该配方滴制的水爆珠压破强度和粒径检测结果标准差最小且检测结果都能符合YQ-CL/T 1—2019《中国烟草总公司企业标准》要求。