Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор патентно-информационной литературы 6
1.1 Исторические аспекты проблемы переработки средней жилки табачного листа 6
1.2 Пути снижения токсичности курительных изделий 9
1.2.1 Основные принципы и технологические приемы расширения табака 10
1.2.2 Способы расширения табачной жилки и используемые реагенты 13
1.3 Выводы из литературного обзора и задачи исследования 23
2 Материалы и методы исследований 25
2.1 Схема исследования 25
2.2 Характеристика образцов 26
2.3 Методы анализа сигарет 27
2.3.1 Определение физико-химических показателей 27
2.3.2 Прогнозирование содержания токсических веществ табачного дыма 29
2.3.3 Дегустационная оценка качества табачных изделий 36
3 Результаты экспериментальных исследований и их интерпретация 40
3.1 Разработка способа производства ароматизированной расширенной табачной жилки 40
3.2 Изучение индивидуальной манеры курения образцов сигарет, содержащих ароматизированную расширенную жилку 55
3.3 Влияние расширенной жилки на заполняющую способность табака в мешке сигарет 98
3.4 Влияние расширенной жилки на вкусовые качества и химический состав дыма сигарет 102
3.5 Органолептическая оценка экспериментальных образцов сигарет с разным количеством расширенной жилки в мешке 107
3.6 Изменение физических свойств расширенной жилки при различных технологических параметрах 111
3.7 Установление зависимости массы табачной мешки от токсичности сигарет различных категорий и типов мешки 114
4 Экономическая эффективность разработанной технологии 123
4.1 Производственные испытания усовершенствованной технологии получения расширенной табачной жилки 123
4.2 Разработка нормативной документации на курительные изделия, изготовленные по усовершенствованной технологии 124
4.3 Экономический эффект от внедрения усовершенствованной технологии получения расширенной табачной жилки 125
Выводы и предложения 127
Литература 129
Приложения
- Пути снижения токсичности курительных изделий
- Прогнозирование содержания токсических веществ табачного дыма
- Изучение индивидуальной манеры курения образцов сигарет, содержащих ароматизированную расширенную жилку
- Разработка нормативной документации на курительные изделия, изготовленные по усовершенствованной технологии
Введение к работе
Проблемы повышения качества и безопасности курительных изделий являются актуальными для табачного подкомплекса АПК страны.
Сигареты, основной вид продукции производимый предприятиями по промышленной переработке табачного сырья. Показателями токсичности дыма сигарет являются содержание смолы и никотина, нормативы которых установлены Минздравом РФ. В последние годы эти нормы неоднократно снижались.
Проектом технического регламента на табачную продукцию намечено осуществить дальнейшее снижение их предельно-допустимых уровней показателей токсичности дыма сигарет для снижения риска воздействия на организм человека.
Определено, что снижение показателей токсичности дыма сигарет возможно с помощью двух способов: изменение конструкции сигареты и изменение состава табачной мешки. Известно, что одним из важных элементов технологии производства сигарет и пониженной токсичностью дыма является использование в смесях (мешках) табачного сырья восстановленного табака и расширенной табачной жилки. Применение расширенной табачной жилки способствует снижению токсичности сигарет. Количество добавляемой в табачную мешку расширенной табачной жилки ограничено (не более 30%, в среднем в табачную мешку добавляется 7-10 %) из-за содержания в ней большого количества целлюлозы, что отрицательно влияет на вкусовые свойства курительного изделия. Существующая технология производства расширенной табачной жилки имеет ряд недостатков, для устранения которых необходима постановка целенаправленных исследований. При их постановке важными вопросами являются разработка такой технологии производства расширенной табачной жилки, которая позволила бы улучшить технологические и потребительские
свойства сигарет и обеспечить возможность дальнейшего снижения токсичности их дыма.
Таким образом, постановка и проведение исследований по совершенствованию технологии производства расширенной табачной жилки и использованию ее для улучшения технологических и потребительских свойств сигарет и снижению токсичности их дыма актуальны.
Пути снижения токсичности курительных изделий
Несмотря на то, что ограничения по содержанию смолы и никотина в курительных изделиях в России были введены относительно недавно, тем не менее, изыскание путей дальнейшего снижения этих показателей актуально.
Известно несколько способов снижения токсичности курительных изделий. По принципу снижения токсичности курительных изделий их можно разделить на два вида: снижении ее токсичности путем изменения конструкции сигареты; изменения состава табачной мешки.
В первом случае на выход смолы и никотина в табачный дым влияет тип фильтрующего мундштука (моноацетатный, двухкамерный, трехкамерный и т.д.), вид перфорации ободковой бумаги фильтра, воздухопроницаемость и тип сигаретной бумаги. Во втором случае этого добиваются, включая в табачную мешку расширенный табак, восстановленный табак и расширенную табачную жилку.
Снижение токсических свойств сигареты путем изменения состава мешки. Такой способ имеет больше преимуществ по сравнению с изменением конструкции сигареты. Изменяя конструкцию сигареты, снижается выход смолы и никотина при прокуривании, но это происходит только по отношению к самому курильщику. Ведь существует также такое понятие как пассивное курение. При тлении сигареты также образуется поток табачного дыма, который смешивается с окружающим воздухом и вдыхается окружающими. Уменьшая токсичность самой табачной мешки, уменьшается и токсичность побочной струи табачного дыма. Заменяя в мешке часть табачного сырья на расширенную табачную жилку, снижается общая масса
мешки, так как расширенная табачная жилка обладает повышенной заполняющей способностью. Кроме того, учитывая низкое по сравнению с табачным сырьем содержание смолы и никотина в расширенной табачной жилке, происходит уменьшение содержания смолы и никотина всей мешки.
Производство расширенного табака началось намного раньше, чем производство расширенной табачной жилки, так как в то время табачная жилка была мало изучена и считалась еще отходом. Технология производства расширенного табака схожа с технологией производства расширенной табачной жилки, за исключением нескольких операций — классификация и плющение жилки. Основная задача — увлажнить и нагреть табачное сырье в краткий промежуток времени, что приводит к моментальному испарению влаги или газового реагента и «вспучивание» клеток табачного листа [41].
В этом плане заслуживает внимания работа западно-германских исследователей [12], которые смогли повысить заполняющую способность резаного табака путем его сушки в барабане более чем на 10%. По данным исследований, проведенным на кафедре технологии табака, во время ферментации происходит некоторое повышение заполняющей способности. Оригинальный способ, позволяющий снизить расход табака непосредственно при изготовлении сигарет предложил Пашков B.C. и др. [53]. Эффект достигался за счет перпендикулярного расположения волокон табака к оси сигареты за счет электростатических сил.
Пропиточным веществом, вызывающим разрыхление и увеличение объема табака в случае классической технологии является вода [51,2, 19, 20, 45, 47, 48]. Увеличение ее объема за счет изменения агрегатных состояний можно вызывать различными способами. Поэтому существует несколько возможных вариантов ведения процесса увеличения объема табака. В таблице 1 показаны операции, проводимые с табаком, а также их последовательность.
Как видно из таблицы 1 во всех случаях табак сначала увлажняют. Для этого используют либо вакуумное увлажнение [2, 23, 43, 46, 27], либо увлажнение паром [25, 49, 29], либо кондиционирование табака при соответствующих влажностных параметрах воздуха [47, 31]. Дальнейший процесс может вестись различными путями. В одних случаях производят непосредственное нагревание увлажненного табака [27, 33, 37, 38], в других — увлажненный табак подвергают вакуумной сушке [21, 22, 26, 28]. Наиболее эффективным и удобным считается нагревание горячим газом [23, 25, 47, 31]. При этом табак после увлажнения подают в установку, где через него продувают горячий газ. В частном случае в качестве горячего газа используют перегретый водяной пар [51, 1, 23]. Применение пара для прогрева более выгодно, чем применение другого горячего газа, так как он имеет высокое теплосодержание и не происходит сильного пересушивания табака.
Не менее эффективной считается обработка увлажненного табака токами высокой частоты [52, 18, 44]. В этом случае его после увлажнения подвергают обработке в микроволновом поле с частотой от 915 до 22000 МГц и удельной мощностью 0,1-2,5 кВт. Иногда процесс увеличения объема табака совмещают с процессом изготовления сигарет [44, 30]. При этом сигареты наполняют меньшим, чем необходимо количеством табака с повышенной влажностью. Затем ее облучают микроволновой энергией, под воздействием которой табак увеличивается в объеме и высыхает. Образуется нормально заполненная сигарета заданной плотности и влажности. Устройство для обработки сигарет микроволновой энергией может быть вмонтировано непосредственно в сигаретную машину [44].
При проведении лабораторных анализов, изменение расхода табачной мешки и ее химического состава изучают по «условной» сигарете, имеющую стандартные размеры. По данным Злобина В.И. и др. [67] на изготовление «условной» сигареты может потребоваться от 0,7 до 1,1 г табака. При прочих равных условиях эти различия в заполняющей способности обуславливаются прежде всего различием в химическом составе и анатомическом строении табачного листа [17].
Табак по структуре ткани представляет собой капиллярно-пористый материал. Физической характеристикой пористых материалов является кажущаяся плотность, определяемая как отношение массы материалов к занимаемому объему, измеряемому без учета внутренних пор. Ряд авторов [10, 27, 40] считают, что заполняющая способность сырья в значительной степени определяется кажущейся его плотностью, поэтому рекомендуют использовать ее в качестве характеристики физических свойств табака, которая определяется по формуле
Прогнозирование содержания токсических веществ табачного дыма
Одним из основных компонентов определяющих токсичность табачного дыма, является смола, представляющая собой твердо-жидкую фазу дыма, образующегося в процессе горения табака, за вычетом влаги и никотина [54]. Сухой конденсат представляет собой часть твердо-жидкой фазы дыма, из которой удалена вода. Стандартный метод, используемый в настоящее время для определения сухого конденсата, трудоемкий и требует наличия сложного и не всегда доступного оборудования. Моделирование условий курения с помощью процесса пиролиза может в значительной степени упростить и ускорить определение сухого конденсата. Данные о содержании сухого конденсата необходимы для оценки потенциальной способности компонентов мешки табачных изделий продуцировать сухой конденсат и являются гарантией изготовления продукции, соответствующей требованиям гигиенических нормативов по показателям безопасности.
Основным компонентом методики прогнозирования содержания сухого конденсата является прибор для пиролиза табака с использованием принципа, разработанного в лаборатории химии ВНИИТТИ. Прибор состоит из раскладной трубчатой печи, кварцевой трубки с сетчатой вставкой из жаропонижающей сетки, компрессора для передачи сжатого воздуха, электронного регулятора температуры и держателя стекловолокнистого фильтра. Были определены следующие оптимальные условия процесса пиролиза: Температура 550С; Скорость воздуха 284 мл/мин; Продолжительность пиролиза 10 минут; Масса анализируемого табака 500 мг (частицы размером 0,5-1,0 мм) Для исследований использовали образцы табачного сырья и готовой продукции. Перед анализом измельченный табак, так же как и курительные изделия кондиционировали по влажности в соответствии со стандартом. Содержание пиролизата определяли после высушивания фильтра с осажденной на нем твердо-жидкой фазы в течение 10 минут при температуре 35С. Количество пиролизата (Р, мг/г) рассчитывают по формуле: пі] — масса фильтра с пиролизатом после высушивания, мг т2 - масса чистого фильтра, мг Для установления корреляции между количеством сухого конденсата в дыме сигарет, определяемого стандартным методом и количеством пиролизата, получаемого с помощью предлагаемого прибора для пиролизата, был проведен сравнительный анализ группы из 20 специально подобранных образцов табачного сырья с широким диапазоном выхода пиролизата. Из образцов табака на лабораторной сигаретной машине были изготовлены сигареты без фильтра длиной 70 мм.
Статистическая обработка результатов показала, что связь между содержанием сухого конденсата в табачном дыме при прокуривании (Умг/сиг) и количеством пиролизата (Р/мг/г) достоверно описывается линейной зависимостью: коэффициент корреляции = 0,89 Данное уравнение справедливо только для сигарет без фильтра длиной 70 мм. Экспериментально установлено, что количество сухого конденсата, приходящееся на единицу длины сгоревшей части сигареты (длина сигареты за вычетом длины окурка), примерно одинаково и не зависит от природы табака. Поэтому при анализе сигарет с длиной, отличающейся от 70 мм, в формулу расчета необходимо вводить коэффициент, учитывающий соотношение длин сгоревших частей сигарет, то есть: YL — количество сухого конденсата для сигарет различной длины, мг/сиг Y — количество сухого конденсата, рассчитанное по формуле (1), мг/сиг Ьсиг - длина сигареты, мм (длина сигареты без фильтра 70 мм) L0K - длина окурка, мм (длина окурка сигарет без фильтра составляет 23 мм)
В случает необходимости прогнозирование содержания сухого конденсата в дыме сигарет с фильтром необходимо учитывать в уравнении удерживающую способность фильтров. Определение удерживающей способности стандартным методом — достаточно трудоемкая операция, требующая наличия сложного оборудования. Установлено, что для ацетатных фильтров связь между удерживающей способностью фильтра и его сопротивлением затяжке с удовлетворительной достоверностью можно описать линей зависимостью: R — степень удерживания фильтра, % АР — величина сопротивления затяжке фильтра, мм вод. ст. Увеличение воздухопроницаемости сигаретной бумаги снижает выход сухого конденсата в дым. Экспериментально установлены величины поправочных коэффициентов (К), введение которых в уравнение регрессии позволяет учитывать при прогнозировании воздухопроницаемость сигаретной бумаги: Таким образом, учитывая все вышеизложенное, окончательное уравнение, позволяющее прогнозировать содержание сухого конденсата в дыме сигарет с фильтром на основании результатов пиролизата табака имеет следующий вид Для оценки степени достоверности предлагаемых уравнений для прогноза они были использованы для предсказания содержания сухого конденсата в дыме различных образцов сигарет на основании результатов пиролиза табака, проанализировано 78 образов сигарет без фильтра и 111 образцов сигарет с фильтром. Сопоставление результатов прогноза с данными анализа тех же сигарет стандартным методом свидетельствует об удовлетворительном прогнозе. Средняя величина отношения прогнозируемого количества сухого конденсата к фактическому для сигарет для сигарет без фильтра составила 100%, для сигарет с фильтром - 96%. Данная методика внедрена и успешно используется в работе 20 табачных фабрик России. Экспресс-метод определения содержания никотина в табачном сырье, основан на способности алкалоидов образовывать окрашенные соединения с реактивом Драгендорфа. Предложен вариант с использованием индикаторной бумаги, пропитанной реактивом Драгендорфа. Оценить содержание никотина в табаке с помощью индикаторной бумаги можно двумя способами: непосредственно сравнивать окраску, образующуюся после нанесения экстракта исследуемого образца на индикаторную бумагу, с цветовой шкалой, приготовленной с использованием образцов табака с известным содержанием никотина; титровать содержащийся в образце никотин раствором кремне-. вольфрамовой кислоты, образующей с алкалоидами нерастворимые осадки, контролируя ход титрования по индикаторной бумаге.
Изучение индивидуальной манеры курения образцов сигарет, содержащих ароматизированную расширенную жилку
Для выполнения исследований нами использован анализатор/имитатор манеры курильщика фирмы Sodim, позволяющий осуществлять регистрацию поведения курильщика - измерение воздушного потока, сопротивления затяжке, продолжительность и интервал между затяжками; расчет объема затяжек; регистрацию и обработку полученных данных. Прибор обладает следующими преимуществами: - Компактный переносной прибор. - Удобная калибровка. - Возможность передачи данных в курительную машину. — Допустима обработка полученных результатов с применением другого программного обеспечения на том же компьютере (например, Excel). -
Способ воздействия дыма и атмосферного давления на результаты измерений учитывается. — Сохранение большого объема дынных в памяти компьютера. Было определено, каким образом расширенная жилка, обладающая различными ароматическими свойствами, воздействует на манеру курения сигареты человеком. С помощью анализатора манеры курения квалифицированными специалистами прокурены с использованием анализатора манеры курения сигареты марки Bond Street Lights, Chesterfield и Наша Марка. Определены основные показатели, по которым и предполагалось дальнейшее сравнение изменения при добавлении расширенной жилки с различным содержанием ароматизатора, полученной по новой запатентованной технологии. Табачная жилка была расширена по новой технологии, в результате чего получилась ароматизированная табачная расширенная жилка. В качестве ароматизаторов были выбраны пять видов растений - перец душистый, цитрусовые, валериана, лаванда и табачные отходы. Расширенная ароматизированная жилка была добавлена в размере 30% в мешку сигарет Наша марка, Bond Street lights, Chesterfield Full Flavor. На кафедре технологии сахаристых продуктов, чая, кофе, табака независимые дегустаторы 1и 2 провели дегустационную оценку полученных образцов. Данные, полученные при прокуривании Дегустатора 1 сигарет Наша марка, отображены в таблице 5— 10, сигарет Bond Street lights - 11-16, Chesterfield - 17-22. Ниже приведены результаты прокуривания сигарет без добавления ароматизированной жилки и с добавлением ароматизированной расширенной табачной жилки 1-го независимого дегустатора. Сигареты "Наша марка" После прокуривания всех сигарет, можно сделать вывод, что наиболее приятными ароматизаторами оказались цитрусовый и аромат лаванды. При дегустационной оценке сигарет с этими ароматизаторами, наблюдается увеличение глубины и продолжительности затяжки. . Для проведения исследований созданы образцы мешек с различным содержанием расширенной жилки. В качестве табачного сырья взят табак типа Вирджиния трубоогневой сушки (страна-производитель - Китай). В качестве жилки взята расширенная жилка фабрики Крес Нева в Санкт-Петербурге. Опыты по определению заполняющей способности мешки проводили в лаборатории КубГТУ на кафедре технологии сахаристых продуктов, чая, кофе, табака. В сушильном шкафу определяли влажность мешки, а на денсиметре Боргвальда производили измерение объемных свойств мешки для созданных 7 мешек с различным соотношением табака и расширенной жилки. Измерительный цилиндр с пробой мешки массой 20 г устанавливают по направляющим дорожкам в рабочее положение и нажатием пусковой кнопки деформируют пробу в течение (30 ± 2) с [62]. По истечении заданного времени груз с индикатором автоматически возвращается в исходное положение, после чего показания индикатора записывают в таблицу 43. После выполнения анализа индикатор необходимо привести в исходное состояние и удалить деформированную пробу мешки из измерительного цилиндра. При измерении деформационных свойств мешки необходимо определять ее влажность. Пробу для определения влажности отбирают из деформированной мешки сразу после извлечения ее из измерительного цилиндра. Для определения влажности из каждого образца берут 2 пробы массой 5 г и сушат в течение 30 минут в сушильном шкафу при температуре 105-110 С. Влажность образца определяют по формуле
Разработка нормативной документации на курительные изделия, изготовленные по усовершенствованной технологии
Основное содержание предложенной технологии, способов и приемов отражено в соответствующей технологической документации - технических условиях (ПРИЛОЖЕНИЕ Б)
Разработаны технические условия (ТУ 9193-007-55103069-06 сигареты с фильтром «Raquel Slims Extra Lights» 01.04.2006, ТУ 9193-008-55103069-06 сигареты с фильтром «Raquel King Size Lights» 01.04.2006, ТУ 9193-009-55103069-06 сигареты с фильтром «Raquel «Q» King Size Lights» 01.04.2006, ТУ 9193-010-55103069-06 сигареты с фильтром «Raquel «Q» King Size Super Lights» 01.04.2006). Разработанные ТУ утверждены и согласованы с Санэпиднадзором 04.04.2006.
При усовершенствовании технологии производства ароматизированной расширенной табачной жилки использовали ароматизаторы, применяемые в табачной промышленности, разрешенные органами Госсанэпиднадзора: Со2-экстракты перца душистого, цитрусовой выжимки, валерианы, лаванды и табачных отходов.
Новизна выполненных исследований и предложенных технических решений по совершенствованию технологии расширения табачной жилки при производстве сигарет подтверждена патентами на изобретение Российской Федерации (ПРИЛОЖЕНИЕ В).
С участием автора разработаны принципиально новые способы производства ароматизированной расширенной табачной жилки (патент на изобретение №2290031 от 27 декабря 2006 г., патент на изобретение №2288619 от 10 декабря 2006 г., патент на изобретение №2290020 от 27 декабря 2006 г., патент на изобретение №2290023 от 27 декабря 2006 г., патент на изобретение №2290027 от 27 декабря 2006 г.).
За последние годы сигаретный рынок претерпел некоторые изменения. Появились сигареты с новыми ароматами, а также сигареты, не дающие запаха сигаретного дыма в помещениях, что очень важно для окружающих людей. Как правило, производители ориентируют продукцию такого рода на потребителей молодого и среднего возраста — 18-35 лет.
В результате разработки и внедрения усовершенствованной технологии производства ароматизированной расширенной жилки, становится возможным создание сигарет со всевозможными ароматами для удовлетворения всех потребностей курильщиков. Кроме этого, соблюдаются требования Российского законодательства, имеющего тенденцию к постоянному снижению уровня токсичности.
Экономический эффект от внедрения в производство усовершенствованной технологии получения ароматизированной расширенной табачной жилки достигается за счет снижения себестоимости табачной мешки, идущей на производство курительных изделий.
Для выпуска 1 млрд. шт. сигарет в среднем необходимо 750000 кг табачной мешки. Для ее соусирования пойдет 30000 кг основного ароматизатора (4 % от массы мешки), что в денежном выражении составит 7,5 млн. руб. (1 кг ароматизатора = 250 руб.)
В предложенном нами способе в табачной мешке используется уже ароматизированная расширенная табачная жилка. При производстве сигарет непосредственно нет необходимости в использовании основных ароматизаторов (соусов) для улучшения ее вкусовых показателей.
Произведем расчет затрат на ароматизацию расширенной табачной жилки. Так как в мешку добавляют до 20% жилки, то для приготовления 750000 кг табачной мешки необходимо 150000 кг табачной жилки. Для ее пропитки мисцеллой С02-экстракта понадобится 6000 кг экстракта (соотношение фаз на стадии пропитки 1:25), на сумму 6 млн. руб. (1 кг экстракта = 1000 руб.)
Таким образом, освоение новой технологии в условиях табачной фабрики позволит получить прибыль 1,5 млн. руб. на 1 млрд. шт. выпускаемых сигарет. 1. Усовершенствована технология производства расширенной табачной жилки на основе совмещения ее с ароматизацией, что позволяет получить ароматизированную расширенную жилку с высокими показателями органолептических и токсических свойств. 2. Определено влияние процентного содержания расширенной табачной жилки и типов ароматизаторов в мешке на характер изменения индивидуальной манеры курения. Выявлено, что ароматизаторы с цитрусовой выжимкой и ароматом лаванды являются наиболее приемлемыми и улучшают вкусовые и ароматические свойства сигареты. 3. Установлено влияние расширенной табачной жилки на заполняющую способность табака в мешке сигарет. Заполняющая способность достигает оптимального значения при добавлении в мешку 10% расширенной жилки. 4. Установлено влияние расширенной табачной жилки на химический состав дыма и вкусовые качества сигарет. Ухудшение дегустационных свойств при добавлении 20 % расширенной табачной жилки в мешку рекомендовано устранить путем использования вкусовых и ароматических добавок. 5. Определено, что добавление расширенной табачной жилки в мешку меньше всего оказало влияние на сенсорные свойства "полновкусных" сигарет. Потребительские свойства сохраняются при добавлении расширенной табачной жилки в количестве 20-25 % и последующей ароматизацией мешки.
