提高烟草基片松厚度的研究进展

烟梗、烟末、碎烟叶等物质作为烟草薄片的重要组分，其化学成分与形态特征的差异对基片性能影响较大。烟梗纤维含量较多，纤维粗度和宽度较大，半纤维素、木素含量高于烟叶，而烟末、烟叶等物质纤维含量少，其成分主要为水溶性糖、烟碱等且杂细胞较多^[7]。研究表明，随烟叶、烟梗配比的增加，基片松厚度、透气度和 Cobb值均呈现上升的趋势，但基片抗张指数逐渐下降^[8]。与烟梗相比，烟叶中纤维含量较少且含有杂细胞和碎片，阻碍了烟草纤维与植物纤维之间的结合。随烟叶浆比例的增加，基片中纤维含量降低，各组分的结合程度下降，进而提高了基片的松厚度^[9]。当烟叶添加量从30%提升至60%时，基片的松厚度提高了2.3%^[10]。但也有研究发现，松厚度随着烟梗用量的增加而提升，原因可能是未添加植物纤维时，烟梗类占比增加，基片的结构疏松、孔隙增多，其物理性能表现为透气度逐渐增大，松厚度值也逐步上升^[11]。

烟梗与烟叶作为烟草薄片的重要原材料，在烟草薄片的占比相对较大，对基片的物理性有着重要的影响。相对于外加植物纤维，烟草原料占比的提升，有利于基片物理性能与抽吸品质的提升。然而，在梗叶配比方面，由于原料来源多样、等级混杂、均质化程度低，对基片松厚度的影响也不尽相同。所以，为了提升基片的松厚度，可在保证基片强度的前提下，提高梗叶在基片的比例。

由于烟草原料中纤维长度短且杂细胞较多，因此烟草薄片制备过程中通常需要添加植物纤维作为增强组分，赋予基片一定的强度，确保基片的成形和纸机的运行性，同时满足基片加工过程的强度要求^[12]。常用的外加植物纤维有针叶木、阔叶木、棉纤维等，纤维添加量在5%~20%。烟草薄片生产企业通常采用针叶木浆和阔叶木浆作为外加纤维。表1为基片中外加纤维的特点及其物理性能。由表1可知，针叶木浆纤维长且细，基片强度高，但对基片松厚度有不利影响；而阔叶木浆纤维粗且短，有利于改善松厚度^[21]；本色浆木素含量较高，对基片的松厚度有利，但会对卷烟的抽吸品质产生影响，有强烈的刺激性，木质气味重，而且木素会在高温条件下生成苯、苯酚、稠环芳烃等有害物质^[22]。棉浆纤维长度较长，基片柔韧性好，产生的杂气少，对卷烟抽吸品质的影响小；此外，也有将茶叶、苦菜、小茴香、甘草等药用纤维作为烟草薄片外加纤维，实现“增香降焦”的效果^[23]。

在植物纤维用量方面，罗冲等人^[13]的研究表明，随着植物纤维用量的增加，烟草薄片的松厚度呈下降趋势。当植物纤维配比为20%时，烟草薄片的松厚度相比于未添加植物纤维时下降了3.9%，当植物用量大于22%时，松厚度下降2%~3%之间^[24]。因此，降低植物纤维的添加量，并对其适度打浆，不仅可以满足基片强度与松厚度要求，而且有利于降低烟草薄片木质气味，改善抽吸品质。目前，我国烟草薄片中加入的植物纤维大多为进口的针叶木与阔叶木，价格较高。李文昱等人^[25]以甘蔗渣纤维为原料代替木材纤维，发现蔗渣纤维中含有的水溶性糖有利于降低烟草薄片的氯离子含量，减少产品的刺激性。同时以5%的蔗渣纤维替代5%的阔叶木纤维，发现基片的透气度吸收性、松厚度指标基本相同。栾鹏程等人^[26]通过对蔗渣进行打浆处理，发现蔗渣纤维用量为20%时，随着蔗渣纤维用量和打浆度的增加，基片松厚度逐渐下降，相比于未打浆的蔗渣纤维，添加打浆度为67°SR蔗渣纤维时，基片的松厚度下降了5%。

细小纤维与纳米纤维素可以用作增强剂，弥补降低植物纤维用量造成的强度下降问题。细小纤维添加量增加，基片强度逐渐提高，但其松厚度与柔软度降低，滤水性能下降。采用细小纤维替代部分木浆纤维有可能实现基片综合性能的改善。有研究表明^[27]，当木浆添加量12%，细小纤维添加量1%时，相对于工厂原有配方（即20%木浆用量），基片松厚度可提高3.4%，柔软性提高39.3%，基片物理性能得到了较大改善。细小纤维的纤维形态对基片的物理性能存在较大影响，王亮等人^[28]研究了不同长度的细小纤维对基片松厚度的影响。结果发现，随着细小纤维平均长度的减小，基片的松厚度随之下降。添加平均长度为0.350 mm的细小纤维相比添加0.812 mm的细小纤维，其基片松厚度下降了3.3%。随着细小纤维长度的降低，比表面积增加，表面羟基更加丰富，纤维间的结合力增加，纤维网络更致密，从而使基片的紧度增加，松厚度降低。

近年来，纤维素纳米纤丝（Cellulose nanofibril, CNF）由于具有优良的纳米尺寸效应，较高的比表面积，丰富的表面羟基等，已成为造纸领域的研究热点之一。纳米纤维素表面丰富的羟基可赋予基片足够的强度。因此，添加纳米纤维素有利于降低植物纤维的用量，减少杂气，达到改善基片物理性能的效果。研究表明^[29]，添加0.1%的CNF，木浆用量可由25%减少至16.7%，同时松厚度提升2.5%。刘雄利等人^[30]将3种纳米纤维素，即纤维素纳米晶体、羧基纳米纤维素及未改性纳米纤维素，添加到涂布液中以期改善基片的物理性能。结果发现，当3种纳米纤维用量为0.1%时，与空白样相比，烟草薄片松厚度可提升2.4%~7.7%。

添加一定比例的植物纤维，如漂白针叶木浆、漂白阔叶木浆与本色浆等，可为浆料体系结构提供强度骨架性网络，保证纸机的正常运行。然而，植物纤维的加入不可避免的对基片抽吸性能产生一定的负面影响。所以开发利用新型的外加植物纤维，拓宽外加植物纤维来源，对于打破原料供应限制、降低生产成本具有重要意义。近年来，农业废弃纤维（如甘蔗渣、麻浆等）与茶叶等药用纤维逐渐应用于烟草薄片生产领域，这些植物纤维可以提高卷烟的内在品质，如提高香气、减少杂气、降低卷烟燃烧产生的焦油及自由基含量，拓宽了外加植物纤维的领域，提高了其应用价值。

在基片抄造过程中添加填料替代部分纤维不仅能够提高烟草薄片松厚度和透气度，改善卷烟的燃烧性能和抽吸品质，还能降低企业生产成本^[31]。从成本、安全性考虑，轻质碳酸钙是目前广泛使用的无机填料，其添加量一般在10%~20%。碳酸钙的添加使基片中有机物减少，同时，其多孔结构可改变基片微观结构，提高基片透气度和松厚度，在一定程度上起到降低焦油和CO 释放量的作用^[32]。

填料的种类与用量对基片的结构与性能具有较大影响^[33]。与其他填料相比，偏三角面体的轻质碳酸钙（PCC）对基片的松厚度提升效果较为显著。当填料添加量为15%时，添加PCC基片的松厚度相对于添加滑石粉、GCC基片的松厚度分别提高了2.32%和1.85%，相对于空白样品提高了2.80%^[34]。当碳酸钙添加量从10%增加至50%时，基片松厚度提高了5.5%，随着填料添加量的提高，基片纤维层间的空隙被不同粒径的碳酸钙所填充，松厚度有较大提升。同时，基片的焦油与CO 释放量分别下降了24.29%、10.75%^[35]。除了选择碳酸钙作为填料外，也有研究对比了硅藻土、二氧化钛等填料对基片物理性能的影响。研究发现，添加硅藻土、二氧化钛、轻质碳酸钙填料均可提高基片松厚度。但硅藻土与钛白粉添加量低时基片性能较好，添加量在6%以内对基片松厚度提升较大^[36]。

填料的粒径对基片松厚度影响也较大。王浩雅等人^[37]研究了不同目数（300、600、1250、2000目）的碳酸钙对基片物理性能的影响，随着碳酸钙目数的提高，粒径逐渐降低，基片的抗张强度、填充值呈上升趋势，松厚度有所下降。基片灰分一定时，碳酸钙的粒径越小，越容易填充在纸张孔隙中，导致基片松厚度和透气度下降，不利于降低CO和焦油释放量。综合考虑基片各项性能，碳酸钙的目数不宜超过600目。此外，较大粒径的填料有利于改善基片松厚度，由于硅藻土粒径较大，不仅可提高填料留着率，而且其自身的高孔隙率特点有利于降低有害物质的释放量；相对于PCC，不同粒径硅藻土可使基片松厚度提升2.7%～13.1%，且粒径越大对基片松厚度的提升越明显^[38]。

除了对填料种类、用量及粒径进行优化外，填料改性也是提高填料留着、改善基片性能的有效有段^[39]。俞海军等人^[40]研究了3种碳酸钙改性方式（淀粉与助留剂混合加入、淀粉改性、烟梗纤维-淀粉改性）对基片的影响。与直接添加淀粉和填料相比，3种改性方式制备的基片填料留着率依次增加，松厚度分别提升5.85%、8.78%、10.73%，且降低了基片CO与焦油释放量。纳米纤维素具有高的比表面积、机械强度以及生物可降解性，在预絮聚、颗粒的留着及纸基强度的增强等领域研究广泛。Guan等人^[41]将CNF用作絮凝剂，研究了CNF与PCC的复合及对纸张性能的影响。结果发现，PCC及CNF的复合填料能使填料留着达到90%。在填料含量相同时，制备出的基材强度性能好。填料留着的提高，减轻了白水处理的压力，且絮聚后的填料拥有较大的粒径，能够改善基片的松厚度。Liu等人^[42]使用阳离子纳米纤维素（CCNF）絮聚PCC，发现CCNF能够改善PCC的絮聚与再絮聚性能。与未添加CCNF相比，添加0.4%（相对于绝干烟草浆）的CCNF后，PCC的留着率及浆料留着率分别提高了6.8%和41.8%，烟草薄片的松厚度和透气性分别提升了6.8%和41.8%，抗张强度略有下降。当CCNF添加量在7%（相对于PCC的添加量）时，PCC的留着率从32.7%提升到44.7%，烟草薄片透气度、柔软度、松厚度分别提升了15.1%、28.0%、3.6%^[43]。

填料在烟草薄片的应用中存在2个问题，一是填料粒径较小，留着率较低；二是填料保留在基片中干扰纤维的结合，降低纸张的强度性能。目前，填料的种类、用量、粒径以及填料改性等方面已经做了诸多研究，未来将可降解、环保、无毒的高分子材料与填料进行复合应用到烟草薄片，改善填料的留着和基片强度是该领域的重要方向之一。

烟草废弃料如烟梗、烟末等材料，经过粉碎机处理后，可得到尺寸大小不一且形状不规则的颗粒状物质。因其形态、尺寸类似于造纸填料，但又属于烟草组分，可称之为“类填料”。研究表明，将烟梗粉碎、筛分后，获得的梗颗粒可提高基片的松厚度与透气度。大粒径的梗颗粒对松厚度的提升尤为明显。与未添加梗颗粒的基片相比，添加4种尺寸（＞60、60～80、80～120、120～200目）的梗颗粒，其松厚度分别提升8.31%、6.31%、5.98%、2.99%^[44]。除烟梗颗粒影响外，不同尺寸的烟末也可作为类填料，对烟草薄片性能产生影响。当烟末尺寸降低时，过多的烟末填充在纤维交织的网络里，导致松厚度降低。当烟末尺寸为120~200目时，相比添加60~80、80~120目的烟末尺寸，基片的松厚度分别下降7.65%和5.10%^[45]。

采用“类填料”作为烟草薄片的组分，明显提升了基片的松厚度，同时对基片的抽吸品质影响较小。在后续的研究中，可以进一步探究原料粒径、形貌及比表面积对基片物理性能的影响。

造纸法基片生产中所用助剂的选择必须要求天然、无毒，同时具有良好的助留助滤和增强等性能。烟草薄片产品的特殊性导致我国所使用的添加剂种类较少，对所选用的添加剂加入后所造成的产品品质是否改变缺乏全面的研究。因此，要结合实际生产，在保证无化学品危害下，合理使用添加剂。

有研究发现添加壳聚糖助剂后基片的松厚度高，当壳聚糖用量在0.6%时，较未添加助剂的基片松厚度可以提高8%左右^[46]。这是因为添加助剂，提高了填料的留着率，因而增加了基片的松厚度，但也降低了基片的结合强度^[47]。孙德平等人^[48]对比了2种不同的助剂瓜尔胶和壳聚糖，当二者用量相同（0.6%）时，添加壳聚糖的基片松厚度更高。因为壳聚糖的助留效果要优于瓜尔胶，且具有增强效果，当壳聚糖添加量增加时，其增强和助留的综合作用，导致基片松厚度和抗张强度进一步增加。为了提高壳聚糖的使用效果，徐曼等人^[49]进一步研究了3种不同分子质量的壳聚糖对基片物理性能的影响。研究发现，随着壳聚糖添加量的增加，基片的松厚度呈先上升后下降的趋势，壳聚糖的添加量在0.4%以内对基片松厚度提升最大。

烟梗中果胶、木质素、单宁等大分子物质含量较高，不仅影响烟梗纤维的疏解，而且会影响烟草薄片的燃烧性能及产品品质，因此可对烟梗进行一些预处理，以达到调控烟草薄片产品物理结构和化学组成的目的。除采用常规洗梗预处理方式外，还有加酶萃取^[56]、微生物发酵^[57]和疏解萃取等技术^[58]。王凤兰等人^[59]通过化学萃取铵碱法对烟梗纤维进行预处理，即采用尿素［CO(NH₂)₂］和碱性化合物（KOH）协同处理，改善烟草薄片物理性能。在最优条件下，与未预处理烟梗纤维所抄造的基片相比，所得基片的抗张指数、松厚度和柔软性能分别提高了9.3%、16.5%和27.4%。采用铵碱法处理原料可使烟梗中的木素、半纤维素等高分子物质和果胶等大分子物质发生降解，从而改善烟梗的细胞壁结构，使基片的松厚度与未预处理的基片相比有一定程度的提高。此外，也有对比研究水热、乙醇水溶液和碱性离子液体预处理烟梗对基片物理性能的影响。相对于热水抽提和乙醇水溶液处理，经碱性离子液体处理后，烟梗中的部分木质素去除，纤维的润胀和分丝帚化得到改善，纤维间的氢键增加，纤维结合力提高，从而提高了基片的抗张强度，松厚度与透气度略有下降，松厚度较未处理时下降了约7.1%^[60]。胡念武等人^[61]发明了一种采用碳酸氢钠提高基片松厚度的方法，其原理是在浆池加入食品级乙酸和碳酸氢钠溶液，反应产生的二氧化碳气体增加纤维间的距离，从而使纤维在网部成形过程中保持较大间距。该方法制备的基片松厚度可提高6%以上，但碳酸氢钠可能会进一步加重废水处理的困难，对抽吸品质造成负面影响。