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国内加热烟草芯材制备工艺技术研究进展

  • 张文军 1,3
  • 吴建霖 1
  • 陈宇超 1
  • 周俊 1
  • 王小升 1
  • 冯涛 1
  • 李忠任 1,2
1. 中烟施伟策(云南)再造烟叶有限公司,云南玉溪,653100; 2. 云南中烟工业有限责任公司,云南昆明,650106; 3. 昆明理工大学,云南昆明,650031

中图分类号: TS762

最近更新:2024-04-11

DOI:10.11980/j.issn.0254-508X.2024.03.017

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摘要

本文按照产品类型,对近年来国内企业申请的关于加热烟草芯材制备工艺和技术相关的专利进行了统计、分析、梳理归纳,重点从专利的角度对国内加热烟草芯材制备工艺和技术的研究进展进行了综述。分析表明,基于造纸法、稠浆法、辊压法、干法4种工艺进行加热烟草芯材制备的专利数量共52件,其中辊压法数量最多,造纸法、干法数量相近,稠浆法最少,烟草行业申请数量占92.3%。

全球控烟形势下,以加热烟草为代表的新型烟草制品发展迅速,逐渐成为各大跨国烟草企业应对新形势的现实选[

1-3]。国内市场中加热烟草制品尚处于起步阶段,产品种类较少,但发展势头强劲,已被视为烟草行业可持续发展的希望和方向,各大中烟公司正对此加速布局技术研发工[4]。2018年7月,烟草总局印发《国家烟草专卖局2018年全面深化改革工作要点》;2021年3月,拟在《中华人民共和国烟草专卖法实施条例》附则中增加“电子烟等新型烟草制品参照本条例中关于卷烟的有关规定执行”;2022年3月,国家烟草专卖局发布《电子烟管理办法》,明确了电子烟等新型烟草的监管主体和方[5-6]。虽然国内暂未放开加热烟草制品销售,但已展开了加热烟草卷烟的试点销售。

加热烟草的核心原料是烟草薄片。烟草薄片是由烟草废料加工处理后的产品,是尼古丁、发烟剂、香精香料、浓缩液的载体。一般来讲,燃烧型卷烟和加热烟草卷烟的气溶胶的构成包括热裂解产物、热裂解过程中的氧化还原反应产物、香气物质的干馏产物,但燃烧型卷烟在抽吸过程中温度可达600~900 ℃,气溶胶中的苯并芘、TSNAs、酚类化合物、苯乙烯等有害物质含量较高;加热烟草卷烟的加热温度较低,一般为250~350 ℃,其依靠加热发烟剂产生气溶胶带出香气,热裂解产物的形成相对较少。国外相关研究表明,加热烟草卷烟的有害物质释放相对于传统卷烟低90%以[

7-8]。此外,加热烟草卷烟能够更大程度地保留烟草风味,其抽吸感受更接近燃烧型卷烟,更容易被消费者接[9-10]。此外,加热烟草依靠烟草薄片在高温下产生气溶胶,搭载烟草浓缩液、尼古丁等成分;烟草薄片使用量较大,可达到传统卷烟的9倍左右。

面对加热烟草未来庞大的发展空间和市场潜力,除去此类产品自身的优势和专利技术的加持,加热烟草芯材的生产与研发同样占有重要地位。相比于其他文献资料,专利文献信息在一定程度上能够有效且全面地反映某一领域的技术发展现[

1]。鉴于此,本文对近年来国内企业所申请的关于加热烟草芯材制备工艺技术相关专利,按产品类型进行了统计、分析、梳理归纳。着重从专利的角度对加热烟草芯材制备的工艺技术方面的研究动态进行了综述,旨在为我国烟草行业加热烟草芯材的制备工艺及技术开发提供参考。

1 国内加热烟草芯材制备工艺专利布局分析

国内关于加热烟草卷烟的专利数量较多,但作为加热卷烟核心组成的芯材部分的专利布局较少。根据检索,截止2023年2月,基于造纸法、稠浆法、辊压法、干法四大工艺进行加热烟草芯材制备的专利数量仅52个,各工艺涉及的专利数量对比如图1所示。从图1可以看出,辊压法的专利数量最多,辊压法制备加热烟草芯材方法简单,工艺相对成熟,同时可以规避菲莫等烟草公司的部分知识产权;造纸法、干法专利数量相近;稠浆法最少,主要原因是菲莫等烟草公司的垄断。卷烟工业企业、烟草薄片生产企业及行业外申请的专利数量对比如图2所示。从图2可以看出,烟草行业内申请的专利较多,占所有专利数量的92.3%。

图1  各工艺加热烟草芯材数量对比

Fig. 1  Comparison of the number of patent layouts for heated by each process

图2  烟草行业内外申请的专利数量对比

Fig. 2  Comparison of the number of patents applied inside and outside the tobacco industry

2 造纸法加热烟草芯材

截止2022年底,经国家局批准的烟草薄片生产点共14个,批准总生产能力16.5万t/年,而目前烟草薄片的总需求量基本保持在8~9万t/年,企业生产率仅为核定产能的48%~55%左右。基于常规造纸法烟草薄片生产工艺制备加热烟草芯材是最有效、经济的选择。由于传统造纸法烟草薄片的基片成形、浸涂等核心工艺存在局限性,极易在高涂布率制备过程出现结块、黏连等现象,因此常规造纸法烟草薄片工艺制备得到的加热烟草卷烟芯材,其热水可溶物含量一般为35%~42%,同时产品存在致密性差、导热性能差、发烟效果差、香气不足、易吸潮等问题,制约了其在新型烟草制品,尤其是中心加热型加热烟草制品中的应用。

王子维[

11]在原料配方中加入外纤以提升载体基材的空隙结构和抗张强度,通过在载体基材上喷涂含有发烟剂和香气原料的雾化液,经过一定时间、温度、湿度平衡后制备得到芯材。进一步采用造纸法烟草薄片叠网成形系统制备底层和面层基材,在底层基材上喷涂雾化剂、胶黏剂、烟粉等制备的混合溶液后,得到芯材层,在将面层基材覆盖于芯材层上,制备得到加热烟草芯[12]。张文军[13]采用造纸法烟草薄片工艺制备含有发烟剂及香精香料的发烟材料层,以铝箔或锡箔作为传热材料层,在传热材料层的1面或2面复合发烟材料层制备得到芯材。进一步在造纸法烟草薄片生产工序涂布环节的涂布液制备过程中,加入碳粉等导热材料以提升芯材的导热性能,同时制备得到的芯材在经过轧光工艺处理后进一步提升其密度和导热性[14]。王艳红[15]将导热材料粉末添加位点设置在造纸法烟草薄片生产工序中的配浆环节,经过抄造成形工艺制备得到含有导热材料的基片以提升基片的导热性能。周桂园[16]发明了一种周向加热烟草卷烟芯材及加热烟草卷烟芯材的制备方法,与传统造纸法烟草薄片生产工艺最大的区别在于,所有的烟草原料经过超微粉碎处理,以超微粉的方式进行投料,制备的基片吸收性能得到了极大提升,在涂布的过程中实现高涂布率涂布,最终实现加热烟草芯材的高涂布率加载,同时为防止芯材由于发烟剂造成的吸湿,制备得到的涂布样表面喷有防潮剂。喷涂防潮剂后制备的涂布样经干燥、收卷、轧光、分切、复卷后,制得加热烟草卷烟芯材产[17]。张文军[18]采用超微烟草粉体进行投料和载体基材的成形,与文献[17]的区别在于后端涂布的过程中,采用压延涂布的工艺模式进行涂布,制得具有较高导热性能和较高涂布率的加热烟草芯材。王益黄[19]在制浆过程中添加了金属纤维作为传热材料。胡嘉维[20]发明的涂布方法是借助2个不同硬度的涂布辊,采用挤压的方式,将涂布液在载体基材上进行回填,以提升涂布液在载体基材中的渗透性。邢振雷[21]使用低浓制浆工艺制备外纤部分,使用高浓制浆工艺制备得到烟草纤维部分,二者配浆抄造成形,涂布后即得到加热烟草芯材。张婷婷[22]在细菌纤维素膜或经过烟草提取液浸泡的细菌纤维素膜上涂布含有发烟剂和香精原料所组成的混合涂布液。朱红琴[23]在混合制浆过程中加入了固相酒香型物质。

造纸法制备加热烟草芯材的基础工艺流程如图3所示。上述专利文献的分析表明,造纸法均是在该基础工艺上的延伸和优化,主要包括涂布料提质技术、载体基材重组技术、发烟剂添加工艺的适应性改造、涂布工艺优化改造等。

图3  造纸法制备加热烟草芯材基础工艺流程

Fig. 3  Basic process flow for preparing heated tobacco core materials using papermaking method

3 稠浆法加热烟草芯材

稠浆法烟草薄片的生产是将烟草物料粉碎后掺入到带有胶黏剂、增强剂、保润剂的水溶液中,搅拌均匀后形成浆状物,均匀地铺展在一条不锈钢带上进行干燥,铲剥后即形成烟草薄片。稠浆法烟草薄片中的核心组成成分(原料粉末、外纤、烟雾生成剂、黏合剂等)可在芯材中均匀分布,该法制备的烟草薄片均质化程度较高,具有导热性能高和热传递效率高等特点,是目前加热烟草芯材尤其是中心加热型加热烟草芯材的主要制备工艺。菲莫烟草公司是较早开展相关工艺技术研究的跨国烟草公司,其在稠浆法制备加热烟草芯材方面具有垄断地位,在配方设计组成、制备工艺、产品上均有严密的专利布局。菲莫烟草公司对于稠浆法制备工艺的精进和研发,有效促进了加热烟草卷烟专用烟草薄片制备工艺的整体发展,受菲莫烟草公司在稠浆法制备加热烟草芯材领域知识产权布局的影响,国内关于稠浆法制备加热烟草芯材的专利布局较少。

董爱君[

24]发明的稠浆法工艺制备加热烟草芯材具体步骤如下:将烟草原料经粉碎机粉碎成一定粒径的烟草粉末后与发雾剂、胶黏剂、烟用香料、无机盐(无机盐为钙盐、镁盐、铝盐中的一种或几种的混合)、纤维按一定比例混合,加入物料总质量50%~60%的温水搅拌,形成均匀的浆状物,最后将制备好的浆状物均匀地铺在循环的金属带或环形金属带上,在一定温度范围内进行干燥后,从金属带上剥离切片处理或进行切丝处理,得到稠浆法工艺制备的烟草薄片。罗诚浩[25]在传统稠浆工艺制备加热烟草芯材基础上,采用复合生物制剂对烟草粉末原料进行发酵处理,在碱性的环境下对烟草中的木质素进行高温催化热裂解以减少杂气,同时利用美拉德反应进行增香。刘达岸[26]将一定组分的烟草原料粉末、发烟剂、胶黏剂、烟用香料混合均匀后,采用稠浆法生产工艺制备加热烟草芯材,在专利中,对各组成物料的质量分数、类型及成品的形态进行了限制。文雅萍[27]采用2次稠浆工艺制备加热烟草芯材,在第一次稠浆工艺中制备初品烟叶,初品烟叶由经预处理后的烟草粉末、未处理的烟草粉末、发烟剂、烟草提取物、纤维浆料按一定质量比混合后,经稠浆法工艺制备而成,初品烟叶经磨粉、打浆后,再经第二次稠浆工艺最终制备得到加热烟草芯材。梅林[28]发明的稠浆法是将烟草原料粉末、外纤、发烟剂及金属材料按一定质量比混合后,采用稠浆工艺制备得到基片,基片在经切片或切丝后卷制成加热烟草芯材。郑泉兴[29]在混合浆料中加入一定质量分数的纤维,制备烟草薄片及加热烟草制品。

稠浆法制备加热烟草芯材的基础工艺流程如图4所示。针对上述专利文献的分析表明,传统稠浆法生产工艺进行的适应性改造和优化主要包括烟草原料粉碎粒度、胶黏剂的含量及种类、发烟剂含量及类型、纤维素纤维的使用量、类型及纤维尺寸、成形前混合物料的物料指标及成品的理化指标。

图4  稠浆法制备加热烟草芯材基础工艺流程

Fig. 4  Basic process flow of heated tobacco core material preparation by thick slurry method

4 辊压法加热烟草芯材

辊压法是将经过粉碎后的烟草原料与胶黏剂、增强剂、保润剂、水等物料按一定比例混合,搅拌均匀后,形成松散的团粒状,然后通过辊压机辊压形成片状,再进行干燥的一种工艺。辊压工艺具备设备简单、能耗少、成本低、适于中小规模生产的特点,但由于辊压法理化指标调控性能差、成品耐加工性能差、密度高、填充值低等自身工艺及成品品质缺陷,逐步被造纸法工艺所替代。然而基于加热烟草芯材高密度、高导热性能的需求,依托辊压法生产工艺制备的加热烟草芯材产品仍可满足产品质量需求。

罗诚浩[

30]改进了辊压法工艺,将经粉碎后的烟草原料、固体胶黏剂、雾化剂、烟用香料、纤维、温水按一定质量比和一定的加料顺序,采用高速搅拌混合均匀,经多次鞣制辊压后,干燥制备得到加热烟草芯材。在混合物料中进一步加入固体烟用添加剂(钙盐或碳酸氢铵),借助超声波空化作用辅助,迅速搅拌,使物料变得均匀,并采用压花压辊对烟草薄片进行压花辊压。在混合物料中进一步加入发泡剂,经多次辊压处理后的烟草薄片置于pH值为3~6的酸性溶液中浸渍,干燥后制备得到加热烟草芯[31-33]。刘志昌[34]将烟草粉末、水、经制浆和均匀分散的外纤、雾化剂、胶黏剂按一定质量比加入均质反应釜中,通过真空干燥工艺脱水,采用辊压工艺成形并经干燥、切丝后制备得到成品。进一步将粉碎后的烟叶原料与胶黏剂按一定质量比混合均匀得到粉料部分;将烟梗进行浸泡、搓揉、酶解反应、制浆,得到烟梗纤维,并与雾化剂和水均质混合,得到液料部分;粉料部分和液料部分混合均匀后,采用多级辊压工艺进行成形,后经干燥、切丝后制备得到成[35]。黎根[36]将烟粉原料和水混合后进行萃取,发酵和搅拌后,经压片成形、低温干燥后得到成品。董爱君[37]将粉碎后烟草原料与解纤后的纤维混合,与无机盐、配置好的料液按一定质量比混合搅拌均匀,然后经过辊压工艺成形,再进行干燥、冷却分切,制备得到成品。黄龙[38]按一定的质量比将烟草粉末、雾化剂、胶黏剂、金属粉末、烟用香精香料、水混合均匀后,采用辊压法生产工艺成形制备得到成品。舒灏[39]将烟粉胶黏剂、碱性发泡剂、酸性发泡剂按一定质量比均质混合为粉料;将水与甜味膨松剂、酸度调节剂、香精香料按一定质量比均质混合,通入二氧化碳,加压制备液料;外纤经过制浆、加入二氧化碳加压后,得到纤维;将粉料与液料、外加纤维、雾化剂按一定质量比在一定压强的均质反应釜中进行充分混合,经过辊压成形、干燥、切丝、冷却干燥后制备得到成品。刘华臣[40]将经回潮后的烟叶原料与绿茶叶按一定质量比进行混合,混合后的物料经堆放、杀青、揉捻、解块分筛、干燥、粉碎、筛分后,用于低温卷烟薄片的制备;将混合物料粉末、雾化剂、黏结剂、天然纤维、水按一定质量比进行混合;采用辊压工艺进行芯材成形,经干燥、切丝后制备得到成品。董爱君[41]采用与文献[40]相同的制备工艺,发明了一种具有红茶风格的低温卷烟。黄龙[42]按一定质量比将烟草原料粉末、雾化剂、榨汁过滤去渣后的水果汁、膨松剂混合均匀,采用常规辊压法生产工艺进行成形,仅切片或切丝后制备得到成品。上述工艺中水果汁也可替换为其他风味的香精香[43-47]。常岭[48]将烟粉原料与甘油磷酸盐和安息香树脂混合,得到原料部分;纤维经解离后,加入甘油和丙二醇,得到纤维部分;将原料部分、纤维部分混合后,加入胶黏剂揉搓混合,形成混合料;采用辊压或流延工艺进行成形,制备得到成品。张婷婷[49]将经灭菌、调节pH值后的细菌纤维素膜浸泡在烟草提取物溶液中,干燥后在细菌纤维素膜表面涂布,得到细菌纤维素薄片;将发烟剂涂布于细菌纤维素薄片上,经碾压后制备得到成品。吴景强[50]将多糖类保香缓释物、水溶性香精香料、发烟剂加热搅拌混合后,再与烟草混合粉末混合均匀得到稠浆,采用辊压法或稠浆法工艺制备得到成品;李颖[51]将香料植物粉、发烟材料粉、成形助剂与添加剂混合均匀,加入水,得到膏状或胶体状混合物料,采用螺旋辊挤压或辊压工艺进行成形,经干燥后制备得到条形或片状的成品。

辊压法制备加热烟草芯材的基础工艺流程如图5所示。上述专利文献的分析表明,传统辊压法生产工艺进行的适应性改造和优化主要包括烟草原料与固体胶黏剂的混配粉碎及粉碎粒度、纤维-雾化剂体系的充分溶胀及纤维的交织与分散、胶黏剂的类型、鞣制辊压的次数等。

图5  辊压法制备加热烟草芯材基础工艺流程

Fig. 5  Basic process flow of heated tobacco core material preparation by rolling method

5 干法加热烟草芯材

干法烟草薄片技术是借鉴干法造纸技术发展起来的新型烟草薄片生产技术,是烟草薄片发展的新产物,其特点是以净化空气替代水作为物料分散和传输的介质。由于在上网成形过程中几乎不使用水,故称为干法烟草薄片。近年来,干法工艺也逐步应用于加热烟草芯材产品的开发及生产。

孔浩辉[

52]将黏合剂、植物纤维、金属粉混合后进行抄造成形,在一定压力范围内进行超压处理,得到导热片材,对其进行加工得到导热材料;与烟丝进行混合,组合卷烟各部分,得到所述低温燃烧卷烟。靖德军[53]将植物纤维无水解纤,形成若干单根纤维,然后经气流成形器形成基片;将粉碎后的烟草原料粉末、发烟剂、辅料和水混合得到涂布液;将涂布液喷涂于基片上,干燥处理后制备得到芯材。曾健[54]在干法烟草薄片卷烟成形前采用一定的温度和压力进行压光处理,进一步采用基片制备-涂布-干燥工艺进行制备,在一定的温度和压力条件下进行压光处理得到成[55]。刘刚[56]烟草替代材料、发烟剂、香料、胶黏性材料及水进行混合,制备得到涂布液,以非烟草植物纤维制备基片,将涂布液涂布于基片表面,并经过干燥、压光、分切后制备得到成品。曾健[57]将不同种类、质量比的烟叶原料混合后,经粉碎制备得到混合烟粉,将添加了烟粉混合物的涂布液喷涂于烟草薄片的基片上,经干燥即制备得到成品。改变烟叶原料的类型和使用配比,也可以得到相似成[58]。韩敬美[59]将烟草原料粉末与糖料、香味物质、发烟剂和水混合后的混合液,加入黏合剂,按一定质量比混合均匀形成涂布液;外纤以干法成形工艺制备形成纤维薄层后,加胶定型形成基片,将涂布液重复多次涂布于基片上,低温干燥后经压光后制备得到成品。王艳青[60]将外纤以干法成形工艺制备形成纤维薄层后,加胶定型形成基片,基片涂布后经低温干燥收卷,制备得到烟草薄片;采用辊压工艺将烟粉、外加纤维、香精香料、发烟剂、羧甲基纤维素和水混合制备,得到湿片辊压法烟草薄片;将干法烟草薄片放卷至与湿片辊压法烟草薄片贴合,在进行辊压和低温干燥后制备得到成品。赵德清[61]采用干法气流成形技术,涂布液为具有一定固含量和黏度的液体,制备得到的基片和涂布液采用“喷雾涂布-狭缝式挤压涂布组合涂布技术”进行多次多级涂布,后经干燥、压光成形后得到成品。

干法制备加热烟草芯材的基础工艺流程如图6所示。上述专利文献的分析表明,干法制备加热烟草芯材的研究主要集中在原料、工艺、香料及设备方面,最主要的特点是先将纤维粉碎成形为载体,再进行涂布或烟草原料粉末及其他物料的负载。

图6  干法制备加热烟草芯材基础工艺流程

Fig. 6  Basic process flow of heated tobacco core material preparation by air-laid method

6 各工艺制备加热烟草芯材的优缺点分析

国内用于加热烟草芯材制备的造纸法、稠浆法、辊压法、干法4种工艺具有各自的特色和优缺点,具体包括以下几点。

(1)造纸法工艺制备的加热烟草芯材,具有物理强度高、不宜破碎、理化指标可调可控的优势;然而,由于加热烟草芯材成形过程中有效物质的加载主要依靠载体基材的吸收为主,造成芯材的有效物质加载量较低、单位体积的质量轻、热传导性能差导致烟气的生成不足、香气不足等品质缺陷,通常只能适用于周向(即环绕)加热或者环绕-中心组合加热的模式的加热器中。

(2)稠浆法工艺制备的加热烟草芯材厚度及定量的稳定性、传热性能较好,同时由于其具有较高的有效物质含量,其烟雾及香气量的产生较好,是目前中心加热型加热烟草芯材的主流制备工艺技术;然而,稠浆法混合浆料的水分含量较高,达80%左右,造成其在后续的干燥过程中香气及气溶胶生成剂的损失。

(3)辊压法工艺与稠浆法工艺相似性较大,工艺相对简单,其制备的加热烟草芯材能较大程度地保留烟草物质的原有品质及特征,同时在成形过程中,混合物料水分含量较低,仅20%~30%左右,对生产能耗的要求较低,香气及气溶胶形成剂的损失较少;但其抗张强度、拉伸率等物理指标及耐加工性能较差,容易在卷制成芯的过程中发生断裂,影响连续生产。

(4)干法工艺制备的加热烟草芯材结构较为适宜,烟雾及香气量的产生较好,能较好匹配中心加热型加热烟草卷烟烟具;然而,外纤在干法成形为载体基材过程中的均匀性及厚度等物理指标的波动较大,造成后续涂布过程中有效物质的负载均匀性较差,最终造成成品理化指标的波动较大。

7 结语及展望

加热烟草制品的政策监管在国内市场稳步推进,随着国内新型烟草制品尤其是加热烟草制品的发展及行业政策的进一步开放,参与新型烟草产业链的企业将享受行业所带来的红利。加热烟草制品的技术壁垒较高,主要体现在加热烟草芯材加工技术上。

我国在加热烟草芯材上的制备主要是通过造纸法、稠浆法、辊压法和干法4种方法。除稠浆法之外,造纸法、干法及辊压法等制备加热烟草芯材的方法也在飞速发展,各制备工艺之间的界线,尤其是稠浆及辊压法工艺日趋模糊,可以相互借鉴,突破固化的技术认知、探索新技术,以突破国外菲莫及其他跨国烟草公司的专利技术封锁,彰显鲜明的中式特色将是未来行业发展的主要途径之一。

参 考 文 献

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