CN108601389A - 结构增强型农业材料薄片及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种含有纤维素长丝(CF)的结构增强型农产品和一种用于将所述结构增强型农业材料制成薄片的方法。应用CF显著改进了所述农业材料薄片的湿纸幅强度。所述方法包括制备农业材料的液体浆，随后与CF或含有CF的纤维素纤维的水悬浮液混合。所述浆料共混物然后用于通过造纸工艺生产农业材料薄片。

Description

结构增强型农业材料薄片及其生产方法
发明背景
技术领域
本发明涉及一种含有至少具有改进的湿纸幅强度的纤维素长丝(CF)的结构增强型农产品；以及一种生产所述结构增强型农业材料薄片的方法。
现有技术描述
用农业材料制造薄片已广泛地用来生产食品、烟草和其它产品。由海草制成的薄片(称作海苔，Nori)通常用作寿司和饭团的包裹物。典型的海草是可食用种类的红藻属紫菜(Porphyra)。海苔主要是通过高度自动化机器的造纸工艺来制造的。然而，成型区使用多种框架方形筛，以使其不形成连续的薄片卷。最终的产品是单个极薄的、黑色且干燥的薄片。市场上存在其它薄片形状的蔬菜产品。薄片的原材料可以是各种类型的叶菜类、块根作物、果菜类、水果等。由谷类作物制成的薄片在食品制备中也常见，诸如米纸。这些薄片在干燥后极脆，而且常常由于缺少纤维材料而难以处理。为了实现抵抗断裂或折断的更坚韧薄片，Cho Won-Il在WO 2000/024271 A1中公开了一种通过向薄片上喷射凝胶来制造蔬菜薄片的方法。McHugh等人使用诸如淀粉的可食用聚合物和包括木纤维的可食用纤维来为蔬菜和水果薄片提供理想的强度和/或脆度(US 2012/0258206 A1)。
大多数的农业材料通过传统的造纸工艺难以转变成薄片形式，因为它们无法形成在湿润状态下具有足够强度的紧密结合薄片。湿纸幅强度差的薄片将无法使得薄片在由造纸机拉伸时不断裂。这种情形下的湿纸幅强度是在纸幅中所含的水分大体上去除到85-90％以上的水平之前的湿润状态纸幅的拉伸强度。为改进湿纸幅强度，常常在造纸工艺之前向农业材料薄片中加入纤维素纤维。种子纸是纤维素纤维在其中充当农业种子载体的一种示例。在将纸植入土壤中后，埋置在木纤维中的种子可以发芽。种子纸也用于贺卡和装饰品。再造烟叶(RTL)是纤维素纤维在其中用作重要成分的另一种示例。
早期制造烟草薄片的工艺在一个多世纪之前已公开(US 328,300；US 611,107；US888,743)。这些工艺实际上与用于制造纸产品的造纸工艺相同。自此以后，也发展了用于制造再造烟叶的其它方法，诸如辊压法(US 4,646,764 A)、浇铸法(US 3,464,422；US 4,306,578 A)和干式成型法(CA 1,235,974 A1)。在这些方法中，造纸工艺是最先进和广泛使用的，具有高的制造效率和终产品质量(US 3,097,653；US 4,182,349 A；WO 2008/110932A2；US 4,421,126；US 4,681,126；CN 102,845,827 B；US 4,270,552)。为了回收香烟制造中未经利用烟草的残余物，再造烟叶现在广泛用在烟草工业中。由于在造纸工艺之前用热水提取了残余物，因此再造烟叶薄片产品比香烟中所用的烟叶中含有较少的有害成分，诸如焦油和尼古丁(US 9,016,286 B2；CN 101,606,749 B；CN 201,846,778 U)。因此，在烟叶中合并包含再造烟叶用作一种减少最终香烟产品中的有害成分的方式。
再造烟叶的现代工艺主要使用造纸机由以下步骤组成：制浆烟草副产物(秆、茎、碎片、碎屑等)、用含水液体对其进行提取、提纯纤维材料、湿纸幅成型、压制、预干燥、涂布和后干燥。然后将产生的再造烟草薄片进一步切碎成小条并包装，然后运送到香烟制造厂，在香烟制造厂将再造烟草叶与天然的烟草叶混合用于香烟生产或用于雪茄或其它类似产品的薄片包装纸。
在此工艺的提取阶段，从烟草叶和残余物中去除多种有害材料。只有一小部分提取物与其它气味控制添加剂合并回加到后续涂布阶段的烟草薄片中(US 9,016,286 B2；CN101,606,749 B；CN 201,846,778 U)。因此，可以使用再造烟叶工艺来减少和/或控制再造烟草薄片中的有害材料。为了减轻吸烟对人类健康的影响，许多国家具有要求逐渐减少烟草产品中最大容许焦油和尼古丁含量的法规。为此原因而且也由于公众对于与吸烟相关的健康问题的意识，越来越多的再造烟叶用在香烟制造中。
如同许多其它农业材料，由烟叶和其残余物制成的浆液不具有大量具有高粘合能力的纤维材料，尤其在湿润阶段。烟草纤维与木材或如亚麻和***的其它植物纤维相比，通常较弱而且较短，具有低得多的纵横比(长宽比)。在再造烟叶中并入矿物质填料(例如，碳酸钙)进一步地减弱了纤维之间的粘合。湿纸幅强度低导致薄片在机器湿部以及在再造烟叶制造工艺的涂布处理期间和之后断裂。因此，纯的烟草浆因其湿纸幅强度低而难以通过传统的造纸工艺用来生产再造烟叶。为改进烟草薄片的湿纸幅强度，向提纯的烟草液体浆中施加来自木料和其它植物的纤维素纤维(US 5,322,076 A；CA 2,574,826；CN 104,256,881 A；WO 2008/110932 A2；CN 102,266,116 B；WO 2002/003817 A2；CN 103,263,073 A)。基于所制造烟草薄片的总固体计，纤维素纤维的添加速率通常为5％至20％。
尽管加入了纤维素纤维，但烟草薄片的湿纸幅强度仍不足以用于高速机器。再造烟叶机器的速度仍局限在低至约80m/min的水平。低机器速度不仅降低了机器效率和生产速率，而且增加了再造烟叶的成本。
尽管木纤维和其它纤维素纤维改进了再造烟叶和其它农业薄片的强度，但其使用因高含量的纤维素纤维不利地影响如食品或吸烟物质等农业材料薄片的味道而受到限制。
Wang,L.等人(China Pulp&Paper,32(9)第35至39页，2013)报道了可以使用微纤维来减少在再造烟叶制造中使用的木纤维的量。这些微纤维由采用瓦利打浆机(Valleybeater)提纯的漂白软木牛皮纸浆的粉末部分组成。由瓦利打浆机获得的粉末具有0.35至0.81mm的长度、0.033至0.035mm的宽度。要求这些微纤维可代替所用木纤维中的约25％。
Yong,R.J.等人(KR 101442102 B1)公开了一种通过在再造烟叶制造工艺中应用纳米原纤化纤维素来改进再造烟草薄片的填充力的方法。纳米原纤化纤维素是通过研磨或使用均质器以与早前公开的方法(US 4,374,702；US 6,183596；US 6,214,163,Tangigichi和Okamura,Fourth European Workshop on Ligocellulosic and Pulp,Italy,1996)极为类似的方式制造的。由这些装置制造的纳米原纤化纤维素由具有支化微米或纳米原纤维的缩短纤维或亚微米范围内的个别短纳米原纤维组成。在Yong氏方法中，将纳米原纤化纤维素加入到上浆液或烟草悬浮液中，然后应用在长网成型机上或喷雾到成型网上。使用纳米原纤化纤维素改进了干再造烟叶的强度或硬度。干强度和硬度增加有利于在后续香烟制造中产生的再造烟叶的填充力。
上文提到的两种方法改进了再造烟叶的干强度，并且减小其柔软度或增加其硬度。然而，过高的干强度和硬度实际上并非有利于香烟制造的后续工艺(Wang,L.等人,China Pulp&Paper,32(9)第35至39页,2013)。例如，根据中国烟草标准(YC/T 16.3-2003)，再造烟叶的干拉伸强度不应超过1.00kN/m。另外，并无关于微米纤维或纳米原纤化纤维素是否改进烟草薄片的湿纸幅强度的信息。
因此，高度需要研发一种具有足够湿纸幅强度的新型烟草薄片以便可使其在高速机器上运转，同时保持干强度或只是适当地改进干强度。此外，明确需要研发一种用于改进其它蔬菜和农作物薄片的湿纸幅强度的方法，同时限制传统木纤维的包含量，因为这些纤维对可食用薄片的味道、香味和咀嚼度具有一些不利的作用。
发明概要
根据本发明的一个方面，提供一种生产结构增强型农业材料薄片的方法，所述方法包括：提供农业材料；提供CF或含有CF的纤维素纤维；制备所述农业材料、所述CF或含有CF的纤维素纤维在含水相中的浆液并将所述浆液输送到薄片形成装置，从而产生所述结构增强型农业材料薄片。
根据本发明的另一个方面，提供本文所述的方法，其中所述浆液包含的CF与CF或含有CF的纤维素纤维和农业材料的重量的重量比以干基计小于20wt％。
根据本发明的另一个方面，提供本文所述的方法，其中所述薄片形成装置是造纸机。
根据本发明的另一个方面，提供本文所述的方法，其中所述造纸机是以大于80m/min的速度操作的高速造纸机。
根据本发明的另一个方面，提供本文所述的方法，其中所述结构增强型农业材料包含所述农业材料的特征性风味。
根据本发明的另一个方面，提供本文所述的方法，其中所述农业材料是选自由以下各项组成的组：蔬菜、水果、大米、其它谷物、海草、其它藻类、真菌、水生植物、烟草、茶叶、咖啡、栽培植物以及其组合。
根据本文所述方法的另一个方面，所述农业材料是大米。
根据本文所述方法的又一个方面，所述农业材料是海草。
根据本发明的另一个方面，提供本文所述的方法，其中提供所述农业材料包括通过蒸煮、浸渍、酸洗、巴氏杀菌、发酵、腌制、焙烤、干燥、制浆、粉碎、分散、研磨、提纯、均化、从其中提取组分或其组合来对所述农业材料进行加工。
根据本发明的另一个方面，提供本文所述的方法，其中所述提供所述CF或含有CF的纤维素纤维是以永不干燥的状态、含水浆液或以干燥状态提供。
根据本发明的另一个方面，提供本文所述的方法，其中所述CF与所述农业材料的重量比基于干固体的重量小于50:50。
根据本发明的另一个方面，提供本文所述的方法，其中所述CF与所述农业材料的重量比基于干固体在0.1:99.9至20:80之间。
根据本发明的另一个方面，提供本文所述的方法，其中所述CF与所述农业材料的重量比基于干固体在0.5:99.5至10:90之间。
根据本发明的另一个方面，提供一种结构增强型农业材料薄片，所述结构增强型农业材料薄片包含：农业材料；以及CF或含有CF的纤维素纤维。
根据本发明的另一个方面，提供本文所述的材料，其中所述结构增强型农业材料包含所述农业材料的特征性风味。
根据本发明的另一个方面，提供本文所述的材料，其中所述农业材料是选自由以下各项组成的组：蔬菜、水果、大米、谷物、其它谷粒、海草、其它藻类、真菌、水生植物、烟草、茶叶、咖啡、栽培植物以及其组合。
根据本文所述材料的另一个方面，所述农业材料是大米。
根据本文所述材料的又一个方面，所述农业材料是海草。
根据本发明的另一个方面，提供本文所述的材料，其中提供所述农业材料包括对所述农业材料进行蒸煮、浸渍、酸洗、巴氏杀菌、发酵、腌制、焙烤、干燥、制浆、粉碎、分散、研磨、提纯、均化、提取或其组合。
根据本发明的另一个方面，提供本文所述的材料，其中所述提供CF或含有CF的纤维素纤维是以永不干燥的状态、含水浆液或以干燥状态提供。
根据本发明的另一个方面，提供一种生产结构增强型再造烟叶的方法，所述方法包括：提供由烟叶和残余物制成的烟草浆共混物；提供CF或含有CF的纤维素纤维；制备烟草浆和CF或含有CF的纤维素纤维在含水相中的浆液；并将所述浆液输送到薄片形成装置，从而产生所述结构增强型再造烟叶。
根据本发明的另一个方面，提供本文所述的方法，其中所述浆液包含的CF与CF或含有CF的纤维素纤维和农业材料的重量的重量比以干基计小于20wt％。
根据本发明的另一个方面，提供本文所述的方法，其中所述薄片形成装置是造纸机。
根据本发明的另一个方面，提供本文所述的方法，其中所述造纸机是以大于80m/min的速度操作的高速造纸机。
根据本发明的另一个方面，提供一种结构增强型烟草薄片，所述结构增强型烟草薄片包含：由烟叶和残余物制成的烟草浆；以及CF或含有CF的纤维素纤维。
根据本发明的一个方面，提供一种薄片形式的新颖农产品或由此提供一种农业材料薄片，所述薄片包含农业材料和纤维素长丝(CF)。CF是由纤维素纤维制成的细长丝，并且具有亚微米级的宽度和数十微米至数毫米的长度。CF的生产方法已由Hua等人在US 2011/0277947 A1和US 9,051,684中公开，其公开内容以引用的方式全部并入本文中。
根据本发明的一个实施方案，提供本文所述的方法，其中所述永不干燥的或经过干燥的CF或含有CF的纤维素纤维通过分散装置分散在水性悬浮液中，所述分散装置诸如螺旋碎浆机、水力碎浆机、高频疏解机或盘式精磨机。
根据本发明的另一个实施方案，提供本文所述的方法，其中所述CF或含有CF的纤维素纤维显著改进农业材料薄片的湿纸幅强度。
根据本发明的又一个实施方案，提供本文所述的方法，其中所述CF或含有CF的纤维素纤维比改进其干强度更多地改进农业材料薄片的湿纸幅强度。
根据本发明的另一个实施方案，CF和/或含有CF的纤维素纤维可以在造纸机的成型区之前引入制造工艺中的农业材料中。
根据本发明的又一个实施方案，农业薄片可以是再造烟草薄片、海草薄片、蔬菜薄片、米纸等物品。再造烟草薄片可以单独使用或与天然烟叶混合来制造香烟、雪茄等物品，或用作雪茄等物品的包装纸。附图简单说明
图1是根据本发明一个实施方案的一种制造结构增强型农业材料的方法的框图。
具体实施方式
除非另外说明，否则此部分和其它部分中所述的定义和实施方案如同本领域技术人员所理解的适用情形一般欲适用于本文所述公开的所有实施方案和方面。
除非上下文中另外明确指出，否则如本公开中所用的单数形式“一(a/an)”和“所述”包括复数个提及物。
如本文所用的诸如“约”和“大约”的程度术语意思是所修饰术语的合理偏差量，以便最终结果不显著改变。如果此偏差不会否定其所修饰词语的含义，那么这些程度术语应理解为包括所修饰术语的至少±5％或至少±10％的偏差。
在本发明的上下文中，农业材料薄片意思是由农业材料制造的扁平薄片物，所述农业材料包含(但不限于)蔬菜、水果、大米或其它谷物、海草或其它藻类、真菌、水生植物、烟草、茶叶和咖啡植物或任何其它栽培植物。所用的农业材料可以是整个植物或只是其一些部分，诸如其叶、种子、果实、花或茎。农业材料可以是其初始状态或经过某些加工，诸如蒸煮、浸渍、酸洗、巴氏杀菌、干燥、发酵、腌制和焙烤等。它们可含有某些添加剂，诸如调味剂、甜味剂、着色剂和香味添加剂、防腐剂、加工助剂和/或矿物填料等。农业材料薄片可以食用或不可食用，并且可原样使用或经过进一步加工来生产各种消费产品。海苔和再造烟叶是所述农业材料薄片的两个例子。
农业材料薄片通常通过使用薄片形成装置来制造。薄片形成装置可包含用于在上面形成湿薄片的筛或板。然后通过排水、挤压、蒸发或其组合使湿薄片脱水和/或干燥来生产干薄片。典型的薄片形成装置是可以生产长连续薄片或单片的造纸机。在本发明的一个优选实施方案中，造纸机是以大于80m/min的速度操作的高速造纸机。
湿纸幅强度意思是由农业材料形成的湿薄片在通过挤压和/或蒸发完全去除水分之前的拉伸强度和拉伸能量吸收。湿纸幅强度通常随着纸幅固体含量而增加。如前文提到的，薄弱的湿纸幅在纸幅通过造纸机时可能容易断裂。固体含量在20％至70％之间的湿纸幅强度对于避免纸幅在加工时断裂而言通常是重要的。
薄片的干强度是薄片在23℃下相对湿度控制在50％的房间中经过干燥并且其水分含量达到平衡后的强度。
本发明的一个目标是提供一种具有实质上经过改进的湿纸幅强度的新颖农业材料薄片。
本发明的另一个目标是提供一种生产农业材料薄片的方法，所述农业材料薄片的湿纸幅强度具有实质性改进而干强度只有有限或适度改进。
本发明的另一个目标是提供一种生产农业材料薄片的方法，所述农业材料薄片中加入的木纤维或其它纤维实质上减少或取消了加入木纤维或其它纤维。
因此，我们已发现含有CF或含有CF的纤维素纤维的农业材料薄片具备高的湿纸幅强度。然而，我们也令人惊讶地发现CF只是使农业材料薄片得干强度适度增加，远低于其湿纸幅强度所达到的改进。
我们还发现，应用CF可以显著地减少或甚至取消在农业材料薄片中使用传统的木纤维或其它植物纤维。惊讶的是，在湿纸幅强度给定增加时，通过CF所带来的干强度改进低于通过传统木纤维或其它植物纤维所带来的干强度改进。农业材料薄片常需要适当水平的干强度。例如，再造烟草薄片的过高干强度将对香烟生产的后续工艺造成不利的影响。
使用CF的另一种优势在于其低剂量需求。为了达到农业材料薄片的给定湿纸幅强度，CF的剂量实质上低于传统纤维(诸如牛皮纸木浆)的剂量。农业材料薄片中的纤维素纤维含量低是有利的，因为纤维素纤维可能会对食品、饮料或香烟产品的味道、香味或咀嚼度产生不利的影响。
我们还发现，当使用包含筛网、铁丝网或成形网的薄片形成装置来形成薄片时，在制造薄片之前在农业材料中应用CF改进了农业材料和矿物填料微粒的保持力。
“结构增强型”农业材料在本文中定义为与非增强型材料相比具有改进的物理特性而且具有尤其增强的湿纸幅强度的农业材料，以便增强型的农业材料可以用在造纸机上，并且优选用在以等于或大于80m/min的速度操作的高速造纸机上。为了更明确，结构增强定义为在只使用CF的优选实施方案中，在农业材料中包括本文所述的CF或含有CF的纤维素纤维。
特征性风味的或经过特别调味的农业材料在本文中定义为经过CF或含有CF的纤维素纤维进行结构增强，同时保持农业材料在增强前的天然或特征性风味的农业材料。
固体含量％在本文中定义为每份含水相中包括农业材料、CF或含有CF的纤维素纤维和其它添加剂(如果存在)在内的总固体的百分比。
图1说明根据本发明的一个实施方案的一种生产结构增强型农业材料薄片19的方法100。
提供选自蔬菜、水果、大米或其它谷物、海草或其它藻类、真菌、水生植物、烟草、茶叶、咖啡、其它栽培植物以及其组合的农业材料5。可以提供天然形式或经过某些处理的农业材料5，所述处理诸如蒸煮、浸渍、酸洗、巴氏杀菌、干燥、发酵、腌制和焙烤等，或者可以通过对农业材料进行制浆、粉碎、分散、研磨、提纯、均化、干燥、提取组分或其组合来预处理。
提供CF或含有CF的纤维素纤维7。这种CF或含有CF的纤维素纤维7具有至少200或200以上的纵横比，而且不含化学物质、未经化学改性或衍生。可以提供各种形式的CF或含有CF的纤维素纤维7，尤其为永不干燥的状态、含水浆液或干燥状态，诸如干卷、碎片或颗粒。
在制备农业材料浆液9的步骤10中，将农业材料5和CF或含有CF的纤维素纤维7加入到水8中。浆液9基于干固体，包含的CF或含有CF的纤维素纤维7与CF或含有CF的纤维7和农业材料5的掺合物的重量比小于90％。基于干固体，CF或含有CF的纤维素纤维7与掺合物的优选比率为0.1％至20％，而更优选的比率为基于干固体0.5％至10％。
在步骤20中，将浆液9输送到薄片形成装置，所述薄片形成装置在优选实施方案中是生产结构增强型农业材料薄片19的造纸机。在一个尤其优选的实施方案中，造纸机是以80m/min或80m/min以上的速度操作的高速造纸机。
结构增强型农业材料薄片19可以在步骤30中进行进一步处理。这种进一步处理可以包括(但不限于)涂布、干燥、切割、粉碎、包装以及其组合。薄片19或经过处理的薄片29由于其低的CF粘合剂组成而具有形成其的农业材料5的特征性风味。
如本发明中所用的术语“纤维素长丝”或“CF”等是指由纤维素纤维制成的细长丝，而且具有30至500nm的宽度和至少10微米的长度。CF具有至少200直至数千的极高纵横比，而且还具有高表面积。关于CF的更多详情可见于Hua等人的两个专利公开案US 2011/0277947 A1和US 9,051,684，其公开内容以引用的方式全部并入本文中。所述两个专利中也已经公开了CF的生产方法。生产CF的方法是纯机械的，并且不需要任何化学物质或添加剂(无论是否具有反应性)，尽管在此工艺中如果某些应用需要可以使用一些化学物质。此外，所述方法在CF生产过程中并不使纤维素发生化学改性。不含化学物质并且无化学衍生的CF在食品中使用时因为食品安全和可能的味道问题而具备优势。
通过上述方法生产的CF可原样使用，也就是说或者呈永不干燥的CF形式。永不干燥的CF是从未被干燥并且在其生产后高达60wt％的固体仍保持湿润状态的纤维素长丝。在这种情况下，CF可以先经过再制浆或分散，然后与农业材料混合后再制造薄片。农业材料在与CF混合之前可以经过制浆、粉碎、分散、研磨、提纯、均化、提取或视需要进行任何其它处理。经过充分分散的CF可以计量加入到加工农业材料的任何阶段中，但在形成薄片之前。当使用传统的造纸工艺来生产农业材料薄片时，CF可以在碎浆机之前加入或加入碎浆机中、加入储料罐、混合槽、成浆池、冲浆泵中、在筛网之前或之后加入、在流浆箱之前加入或加入到白水***中。
或者，CF和农业材料可以混合在一起之后再进行后续的制浆、分散、粉碎、研磨、提纯、均化、提取或其它处理。这种替代方式的优势在于可以使CF更充分地分散在农业材料中，或者因为可以取消CF的再制浆或分散阶段而简化工艺。
为了减少运输成本，CF可以自身干燥或呈薄膜形式(WO 2014/071523 A1)或使用传输纤维(US专利申请62/155,583)来干燥。干的CF在使用之前可能需要根据如上文提到的专利申请中所述的相应干式方法进行充分分散，所述专利申请的公开内容以引用的方式全部并入本文中。干燥CF在适当分散后可以与永不干燥的CF相同的方式与农业材料混合。
CF相对于农业材料的比率在约0.02/99.98至约90/10的范围内、优选为约0.1/99.9至约20/80、最优选在约0.5/99.5至约10/90的范围内。比率全部是基于经过微波炉干燥的材料固体重量计。
如前文提到的，农业材料常不含有足量的具有良好自粘合能力的纤维物质，尤其是在其湿润状态下。用这些材料难以形成紧密粘合的薄片，而且湿的薄片将极难处理并且易于断裂。根据本发明，在这些材料中应用CF有助于形成牢固并且紧密粘合的农业材料薄片、增加其湿纸幅强度并且改进薄片形成工艺的效率。
在使用现代造纸工艺来形成农业材料薄片时，湿纸幅必须以高速拉过造纸机的所有部分。拉动薄片产生张力而且可能使湿纸幅断裂。张力随着机器速度的增加而增加，而湿纸幅强度随着薄片水分含量的增加而减小。当薄片张力超过湿纸幅强度时，发生断裂。典型的造纸机包含：成型部、挤压部、干燥部、涂布部、后干燥部和卷取部。水分含量通常随着工艺进行而减少，除了在涂布部以外，涂布部中的水分含量可能由于应用了湿涂层而增加。因此，湿纸幅在造纸机的前部较脆弱，此处纸幅断裂的机率更高。尽管一些较新的机器沿着各个机械部位可能具有减少纸幅断裂的湿纸幅毡托，但大多数机器在伏辊、压辊、烘筒之间仍具有开放式牵引。因此，通过CF所产生的高湿纸幅强度使得湿纸幅在牵引通过造纸机的所有部分时不断裂，而且使得及其可以更高速运转。断裂减少和机器速度增加改进了机器效率并且增加了农业材料薄片的生产率。
尽管不希望受任何与本发明相关的特定理论约束，但仍认为通过CF所产生的高湿纸幅强度是由于其高表面积和长且薄的长丝尺寸。在给定水分含量的湿纸幅情况下，在存在CF时具有更多的表面来吸引游离水分子。因此在湿纸幅的特定的纤维农业材料之间的界面中留下较少的水，当所述纸幅处于拉伸状态时，这种情形又使界面之间的摩擦力增大。长丝也应有助于此界面摩擦力，从而导致湿纸幅强度增加。
实施例
提供以下实施例以有助于理解本发明和进行生产所述农业材料薄片的方法。这些实施例应视为说明性的，而并非意味着限制本发明的范畴。
实施例1-烟草浆中的CF
由再造烟叶制造公司在提取和提纯阶段后获得由含有茎、碎片和碎屑的烟草副产物制得的干浆，并且在下文中称为烟草浆1。除非另外说明，否则此烟草浆在使用之前根据PAPTAC标准C.10使用标准实验室粉碎机进行分散。
纤维素长丝(CF)根据US 9,051,684中公开的方法来制备，并且具有约30％的稠度并在下文中称为“永不干燥的CF”。除非另外说明，否则将永不干燥的CF使用与用于烟草浆相同的实验室标准粉碎机进行分散，除了在粉碎之前将CF的温度升高到约80℃以外。
粉碎后的CF然后与烟草浆悬浮液按以下CF/烟草比率进行混合：0/100、1/99、3/97、6/94、10/90。除非另外说明，否则所述比率全部是基于每种物质经过烘箱干燥的固体重量。CF/烟草浆的混合物在下文中称为浆料共混物。
使用上文制备的浆料共混物，除了使用400目的筛网代替150目的筛网以外，使用标准PAPTAC程序(C4)来制备和伏辊加工烟草薄片(100g/m2)。为了测量烟草薄片的湿纸幅强度，在成型网上施加一个特殊的薄片模具来获得3个条状物，每个条状物的尺寸为2.5×12cm。将经过伏辊加工的薄片分成多组。一组通过将条状物放置在密封袋中的聚乙烯薄片之间而保持在伏辊固体上。其它组在不同压力设置下的Carver压制机中的缓冲垫之间压制五分钟。在这些伏辊和压制条件下，得到的薄片固体含量在20％和65％之间的范围内。使用标准的PAPTAC方法(D23P)来测量上文制备的湿纸幅的强度特性。
表1列举了固体含量为40％和60％的含有CF的烟草薄片随CF比率而变化的拉伸能量吸收(TEA)指数值。结果表明应用CF实质上改进了烟草湿纸幅的TEA指数，即使是在极低的剂量下。通过增加烟草浆中的CF比率实现进一步的改进。例如，向烟草浆中加入3wt％的CF使固体含量为40％的烟草网的TEA指数从6.3mJ/g增加到13mJ/g，改进了106％。而在60％的固体含量下，TEA指数从26mJ/g增加到56mJ/g，改进了115％。此实施例明确说明了CF对于改进烟草网的湿纸幅强度的超凡性能。还观察到，在固体含量较低时，CF表现更佳。
表1-由CF/烟草浆共混物制备的湿纸幅的TEA指数
实施例2-含有10％木纤维的烟草浆中的CF
如现有技术部分中提到的，木纤维在制造再造烟叶中通常用来改进其湿纸幅强度。由制造再造烟叶的公司在提取和提纯阶段后收集含有10％木纤维的烟草浆样品。这种含有木纤维的烟草浆在下文中称为烟草浆2。
此实施例中使用与实施例1中相同的CF。烟草浆2和CF通过与实施例1中所述相同的方法来粉碎。然后将CF与烟草浆2以0/100、1/99、3/97的CF/烟草浆2比率进行混合。由这些浆料共混物制备烟草薄片(100g/m2)，并且然后根据与实施例1相同的程序来测试湿纸幅强度。
表2列举了由固体含量为40％和60％的CF/烟草浆2制得的湿纸幅随CF比率而变化的TEA指数值。与表1中的数据相比，可见在40％和60％的固体含量下，加入10％的木纤维使烟草薄片的TEA分别从6.3mJ/g增加到8.9mJ/g和从26mJ/g增加到42mJ/g。然而，只需要约1-2％(或1％至小于3％)加入水平的CF(参考表1)，即可达到相同水平的增加。另外，CF进一步改进了含有10％木纤维的烟草薄片的湿纸幅强度。例如，在40％和60％的固体水平下，只用1％的CF即可分别实现136％和50％的额外改进。极为明确而且令人惊讶的是，CF在改进烟草薄片的湿纸幅强度方面优于木纤维。与木纤维相比，将需要低得多的剂量的CF来实现相同的湿纸幅强度。因此，CF对于强化不得不限制纤维素材料包含量的烟草制品而言具有明显的优势。
表2-由CF/烟草浆2混合物制得的湿纸幅的TEA指数
实施例3-通过CF和木纤维强化的烟草薄片的干强度
除了使用400目的筛网代替150目的筛网以外，根据PAPTAC标准C.4，用烟草浆I和II与各种量的CF组合来制备手抄片。CF和烟草浆与实施例1和2中使用的那些相同。根据PAPTAC标准D.34来测试其干强度，如表3中所示。为了比较，它们的湿纸幅强度值也列举在同一表中。
表3-通过CF和木纤维强化的烟草薄片的湿纸幅强度和干强度
表3说明CF和木纤维对烟草薄片的湿纸幅强度和干拉伸能量吸收的作用。CF使湿纸幅强度产生比干强度更大的改进，而木纤维具有相反的关系。用6％的CF使湿纸幅TEA增加了408％，而用相同量的CF仅使干强度改进了146％。当向含有10％木纤维的烟草浆中加入3％的CF时，湿纸幅TEA从8.9mJ/g增加到26mJ/g，增加了192％，但干强度仅增加了约23％，从18.9mJ/g增加到23.3mJ/g。因此，CF提供了实质上增强农业材料薄片的湿纸幅强度，同时仅适度增加其干强度的机会。
实施例4-薄片形成期间的烟草浆碎屑保留
由叶片和其残余物制成的烟草浆不具有高量的纤维材料。叶片形状的材料在制浆和提纯后变成碎屑或碎片。烟草浆中的纤维材料也比木纤维短得多。烟草浆中的这些短的纤维材料和细小碎片不容易保留在薄片形成阶段的筛网或铁丝网上。其中一大部分将穿过铁丝网或筛网。为了在手抄片制备期间有效地保留住大部分的烟草材料，我们使用400目的筛网代替标准的150目筛网。表4示出了在使用400目筛网时保留的含有各种CF量的烟草材料。
表4-使用不同CF量的烟草材料的保留值
CF含量(％) 0 1 3 6
保留率(％) 79 85 83 96
由表4观察得知，加入CF限制增加了烟草材料的保留率。因此，CF不仅改进了农业薄片的湿纸幅强度，而且也有助于使这些农业材料细小颗粒保留在筛网上。颗粒保留率的增加将减少材料损失以及生产成本。
实施例5-米纸中的CF
根据PAPTAC标准C.10，使用实验室标准粉碎机分散永不干燥的CF，除了在粉碎之前使CF浆液的温度上升到80℃以外。通过在周围温度(约23℃)下将由80wt％白米、10wt％糯米和10wt％木薯淀粉组成的面粉混合物与0-2.0wt％(按面粉混合物计)的分散CF和水按10％的稠度在手提搅拌机中混合1分钟来制备米糊。
将米糊样品(12.0g od)均匀地铺展在不粘的28×19cm烤盘上、在热水浴(100℃)中蒸5分钟，然后在40℃和80％至90％相对湿度的对流烘箱中干燥直到其达到80％至85％的干燥度(固体含量)。所得米纸的基重为225±5g/m2。
将干的米纸切割成24mm×118mm的条状，并根据PAPTAC标准D34测量干米条/薄片的拉伸指数和TEA指数。还将条状物样品浸入温水(50℃至60℃)中15秒钟，然后用湿毛巾擦拭以达到约40％的条状物水分含量，并根据PAPTAC标准D10测量重新湿润的米纸条/薄片的拉伸指数。
表5和6分别列举了干大米薄片和再湿润的大米薄片的拉伸和TEA指数、标准偏差以及通过CF使其拉伸和TEA指数增加的百分比。向米糊中加入极小量的CF(例如，1.0wt％(以面粉混合物计))使干大米薄片的拉伸和TEA指数分别增加了157％和351％。它还使再湿润大米薄片的拉伸和TEA指数分别增加了199％和385％。
表5-干大米薄片的拉伸和TEA指数、标准偏差以及通过CF使其拉伸和TEA指数增加的百分比
表6-再湿润大米薄片的拉伸和TEA指数、标准偏差以及通过CF使其拉伸和TEA指数增加的百分比
实施例6-海草薄片中的CF
根据PAPTAC标准C.10，使用实验室标准粉碎机分散永不干燥的CF，除了在粉碎之前使CF浆液的温度上升到80℃以外。将经过烘烤的海草薄片(Yaki Sushi Nori)撕成小片并在去离子水中浸泡30分钟，稠度为0.20％。将0.5wt％(以海草计)的分散CF加入到经过浸泡烘烤的海草薄片中并用华林商用搅拌机(Waring Commercial Blender，700G)以3000rpm的速度分散30秒钟。在标准英国薄片机(British Sheet Machine)上制备含有0.5wt％CF的海草薄片(77至83g/m2)，然后在45℃的烘箱中干燥过夜。在一次单独实验中，在标准英国薄片机上制备含有0.0wt％CF的海草薄片(77至82g/m2)，然后在45℃的烘箱中干燥过夜。根据PAPTAC标准D34测量分别含有0.5wt％和0.0wt％CF的干燥海草薄片的拉伸指数。
表7列举干燥海草薄片的拉伸指数、标准偏差和通过CF使其拉伸指数增加的百分比。在制造海草薄片之前向海草浆液中加入0.5wt％(以海草计)CF使干燥海草薄片的拉伸指数增加了22％。
表7-干燥海草薄片的拉伸指数、标准偏差和通过CF使其拉伸指数增加的百分比
实施例7-CF用于在商用机上生产再造烟叶(RTL)薄片
制备稠度约30％的纤维素长丝(CF)。使用高粘度提纯器混合300kg(基于od)的CF和300kg(基于od)的北方漂白软木牛皮纸(NBSK)浆。在与研磨加工水呈2.0％的稠度下，在商用再造烟叶(RTL)造纸机的碎浆机中分散CF/NBSK(重量比：50/50)的混合物。然后将经过分散的CF和NBSK抽吸到RTL造纸机的成浆池中，将它们在成浆池中与烟草浆、NBSK和沉淀碳酸钙(PCC)的混合物合并。在最终的RTL薄片形成浆液中，烟草浆、NBSK、PCC和CF的wt％比率为74/11/13/2。然后生产、涂布并撕碎RTL薄片。在RTL薄片的独立生产中，使用74/13/13/0(取代74/11/13/2)wt％的烟草浆/NBSK/PCC/CF。
与在用74/13/13/0wt％的烟草浆/NBSK/PCC/CF生产RTL薄片期间相比，在用74/11/13/2wt％的烟草浆/NBSK/PCC/CF生产RTL薄片期间观察到在RTL造纸机上的湿端薄片断裂较少和RTL撕碎阶段的粉化较少。因此，使用CF通过增加RTL薄片的湿纸幅强度而改进了RTL造纸机的运转性能。还观察到使用CF改进了RTL薄片中的碎屑和填料保留。表8列举了与使用74/13/13/0wt％的烟草浆/NBSK/PCC/CF生产的RTL薄片的首程保留率、灰分含量和香烟灌装容量相比，使用74/11/13/2wt％的烟草浆/NBSK/PCC/CF生产的RTL薄片的首程保留率、灰分含量和香烟灌装容量的增加百分比。
此商业试验证明，CF可用于改进再造烟叶(RTL)薄片的湿纸幅强度、首程保留率和灰分含量。此外，其可用于改进RTL薄片的香烟灌装容量。
表8-与使用74/13/13/0wt％的烟草浆/NBSK/PCC/CF生产的RTL薄片的首程保留率、灰分含量和香烟灌装容量相比，使用74/11/13/2wt％的烟草浆/NBSK/PCC/CF生产的RTL薄片的首程保留率、灰分含量和香烟灌装容量的增加百分比

Claims (25)

1.一种生产结构增强型农业材料薄片的方法，所述方法包括：
提供农业材料；
提供CF或含有CF的纤维素纤维；
制备所述农业材料、所述CF或含有CF的纤维素纤维在含水相中的浆液，以及
将所述浆液输送到薄片形成装置，从而产生所述结构增强型农业材料薄片。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述浆液包含的CF与CF或含有CF的纤维素纤维和所述农业材料的重量的重量比以干基计小于20wt％。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述薄片形成装置是造纸机。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述造纸机是以大于80m/min的速度操作的高速造纸机。
5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述结构增强型农业材料包含所述农业材料的特征性风味。
6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述农业材料是选自由以下各项组成的组：蔬菜、水果、大米、其它谷物、海草、其它藻类、真菌、水生植物、烟草、茶叶、咖啡、栽培植物以及其组合。
7.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述农业材料是大米。
8.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述农业材料是海草。
9.如权利要求1至8中任一项所述的方法，其中提供所述农业材料包括通过蒸煮、浸渍、酸洗、巴氏杀菌、发酵、腌制、焙烤、干燥、制浆、粉碎、分散、研磨、提纯、均化、从其中提取组分或其组合来加工所述农业材料。
10.如权利要求1至9中任一项所述的方法，其中所述提供所述CF或含有CF的纤维素纤维是以永不干燥的状态、含水浆液或以干燥状态提供。
11.如权利要求1至10中任一项所述的方法，其中所述CF与所述农业材料的所述重量比基于干固体的重量小于50:50。
12.如权利要求1至10中任一项所述的方法，其中所述CF与所述农业材料的所述重量比基于干固体在0.1:99.9至20:80之间。
13.如权利要求1至10中任一项所述的方法，其中所述CF与所述农业材料的所述重量比基于干固体在0.5:99.5至10:90之间。
14.一种结构增强型农业材料薄片，所述农业材料薄片包含：
农业材料；以及
CF或含有CF的纤维素纤维。
15.如权利要求14所述的材料，其中所述结构增强型农业材料包含所述农业材料的特征性风味。
16.如权利要求14或15所述的材料，其中所述农业材料是选自由以下各项组成的组：蔬菜、水果、大米、其它谷物、海草、其它藻类、真菌、水生植物、烟草、茶叶、咖啡、栽培植物以及其组合。
17.如权利要求14或15所述的材料，其中所述农业材料是大米。
18.如权利要求14或15所述的材料，其中所述农业材料是海草。
19.如权利要求14至18中任一项所述的方法，其中提供所述农业材料包括对所述农业材料进行蒸煮、浸渍、酸洗、巴氏杀菌、发酵、腌制、焙烤、干燥、制浆、粉碎、分散、研磨、提纯、均化、提取或其组合。
20.如权利要求14至19中任一项所述的方法，其中所述提供所述CF或含有CF的纤维素纤维是以永不干燥的状态、含水浆液或以干燥状态提供。
21.一种生产结构增强型再造烟叶的方法，所述方法包括：
提供由烟叶和残余物制成的烟草浆共混物；
提供CF或含有CF的纤维素纤维；
制备所述烟草浆和所述CF或含有CF的纤维素纤维在含水相中的浆液，以及
将所述浆液输送到薄片形成装置，从而产生所述结构增强型再造烟叶。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述浆液包含的CF与所述CF或含有CF的纤维素纤维和所述农业材料的重量的重量比以干基计小于20wt％。
23.如权利要求22所述的方法，其中所述薄片形成装置是造纸机。
24.如权利要求23所述的方法，其中所述造纸机是以大于80m/min的速度操作的高速造纸机。
25.一种结构增强型烟草薄片，所述烟草薄片包含：
由烟叶和残余物制成的烟草浆；以及
CF或含有CF的纤维素纤维。
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