TECHNOLOGIE DU TABAC ET DE LA CIGARETTE. Dr Xavier Cahours

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1 TECHNOLOGIE DU TABAC ET DE LA CIGARETTE Dr Xavier Cahours 1

2 Plan général Introduction Le scaferlati Les tabacs La structure des mélanges Les sauces et arômes Les procédés de fabrication Les propriétés physiques et chimiques des mélanges Le papier Le filtre La construction des cigarettes La fumée 2

3 INTRODUCTION 3

4 Qu est-ce qu une cigarette 1. Fumée principale (inhalée) 2. Filtre 3. Adhésif filtre 4. Ventilation filtre 5. Encre 6. Adhésif latéral 7. Fumée secondaire (latéral) 8. Filtre 9. Emballage du filtre (manchette) 10. Mélange tabac 11. Papier 12. Zone de combustion (dard) 4

5 Quelques chiffres 2007: 5.7 billions de cigarettes = cig/an = cig/s PMI Chine: 2.1 trillions France: 55 billions BAT JTI CNTC PMI BAT JTI ITG Other (PM USA, KT&G, Reynolds, ) 38% 15% 13% 11% 6% 17% CNTC ITG Other (PM USA, KT&G, Reynolds, 5

6 LE SCAFERLATI 2.1 Les tabacs 6

7 Fermentation Le tabac utilis é dans les cigarettes utilisé provient uniquement de plantes de tabac commun ((Nicotiana Nicotiana tabacum ), tabacum), Séchage Le tabac appartient à la famille des Solanac ées qui regroupe entre autres les Solanacées pommes de terre, la tomate ou encore les aubergines. Le genre Nicotiana, auquel appartient le tabac, compte une cinquantaine d espèces. d espèces. Nicotiana tabacum 7

8 La production de tabac, estimée à plus de 11 millions de tonnes, est dominée par la Chine, les États-Unis, l'inde, le Brésil, et certains pays de l'ex-urss. 8

9 Les différents types de tabac Les tabacs Virginie Les tabacs Burley Les tabacs Orient Les tabacs bruns Les tabacs Kentucky 9

10 Ce qui différencie les types de tabacs... Les variétés utilisées A chaque type de tabac est associé un ensemble de caractéristiques bien spécifiques. Les pratiques culturales Le substrat de plantation, la fertilisation, la compacité (nombre de pieds à l'hectare), l'apport hydrique,..., sont autant de facteurs modulés en fonction du type de tabac. Les modes de récolte Si les tabacs bruns, Burley ou Kentucky sont souvent récoltés en tiges, les Virginie et les Orients sont toujours récoltés en feuilles. 10

11 Ce qui différencie les types de tabacs... Le mode de séchage chez les producteurs Les tabacs séchés au soleil (sun cured) :» Les tabacs d'orient Les tabacs séchés à l'air chaud (flue cured) :» Le Virginie Les tabacs séchés à l'air (air-cured) :» Les tabacs clairs (light air cured) : Le Burley» Les tabacs bruns (dark air cured) Les tabacs séchés au feu (fire cured) :» Le Kentucky 11

12 Ce qui différencie les types de tabacs... Les tabacs séchés au soleil (sun cured) : les tabacs d'orient Les feuilles de tabac sont séchées dans des filets sous l'action du soleil. Ce sont principalement des tabacs dits orientaux qui sont cultivés dans le bassin méditerranéen qui bénéficient de cette technique. Après séchage, les feuilles sont classées par grade. 12

13 Ce qui différencie les types de tabacs... Le tabac séché à l'air naturel (air-cured) : tabacs clairs type Burley Aucune source d'énergie extérieure n'entre dans ce processus de séchage. Le séchage dure entre quatre et huit semaines en fonction des conditions météorologiques et la manière dont le planteur parvient à gérer le taux d'humidité à l'intérieur de son installation. 13

14 Ce qui différencie les types de tabacs... Le tabac séché à l'air chaud (flue-cured) : tabacs type Virginie Ce procédé mit au point en 1823 aux États-Unis utilise une source artificielle d'énergie pour déshydrater la feuille. Le séchage à l'air chaud est un processus où le maintien clos ou non des ouvertures vers l'extérieur permet de réguler l'hygrométrie et la température. Cette opération permet également d'augmenter de manière assez sensible le taux de sucre contenu dans le produit final, surtout du fructose et du glucose. 14

15 Ce qui différencie les types de tabacs... Le tabac séché au feu (fire-cured): tabacs de type Kentucky Les feuilles de tabac sont suspendues à des lattes dans une pièce fermée. Après une période de deux à six jours, elles peuvent commencer à être séchées à la chaleur et à la fumée d'un feu de bois allumé sur le sol au sein d'un âtre ouvert. Le séchage au feu permet au tabac de se charger des arômes dégagés par la combustion du bois et fournit ainsi une gamme de tabacs noirs au goût très prononcé (de créosote) et caractéristique. 15

16 Ce qui différencie les types de tabacs... Certains traitements post-séchage effectués sur la matière première La fermentation plus ou moins poussée des tabacs bruns La fermentation douce des Orients Le resséchage immédiat, après battage, des tabacs clairs Virginie et Burley (également appliqué au Kentucky) Il faut aussi tenir compte des conditions et durée de stockage avant emploi «Ageing» 16

17 Composition chimique des tabacs Polymères végétaux Cellulose, hemicellulose Pectines Lignines Hydrates de carbones Amidon Fructose, Glucose, Saccharose Autres : Esters de saccharose, Glycosides Dérivés azotés Protéines et peptides Acides aminés libres : PRO, ASP, ASN, GLU, GLN Alcaloïdes : Nicotine, alcaloïdes secondaires Pigments chlorophylliens et dérivés Acides carboxyliques Acides malique, citrique et oxaliques Acides gras : C16, C18, C18=, C18==, C18=== Acides gras légers : Acetique, 3 Methylvalérique Dérivés phénoliques Polyphenols : Acides chlorogéniques, Rutine Stérols Cholesterol, Campesterol, Stigmasterol, Sitosterol Isoprènoïdes Carotenoïdes et composés dérivés Solanesol Cembranoïdes et Labdanoïdes Phytol, Néophytadiene Cires Hydrocarbures aliphatiques : C22 - C32 Esters d acides gras et d alcools gras Composés dérivés de la réaction de Maillard Glucosamine, Composés d Amadori Fructosazines, Deoxyfructosazines Mélanoïdines (pigments bruns) Hétérocycles azotés, Hétérocycles oxygénés Composés inorganiques Calcium, Potassium, Magnésium, Sodium Nitrate, Phosphate, Chlorure, Sulfate Ammonium Oligo-éléments 17

18 Types de tabacs Nicotine S ucre s tota ux Ta ux de ce ndre s V irginie 0,5-4,0 % 5-30 % 9-17 % Orie nts 0,3-2,0 % 3-20 % % Burle y 0,8-5,0 % 0,05-0,6 % % Bruns 0,2-3,5 % < 0,1 % % 18

19 La présentation industrielle des tabacs Au plan industriel, les tabacs se présentent sous différentes formes: Les strips (parenchyme séparé des côtes) Les côtes Le tabac reconstitué Le tabac expansé Les feuilles entières 19

20 Le tabac reconstitué Pourquoi? Utilisation de matières tabac non directement employables dans les mélanges Côtes Débris de tabac Poussières de tabac Réduction des taux de goudron Amélioration gustative - Aromatisation Procédés de fabrication Procédé «papetier» Procédé «tabac homogenéisé» Extrusion (brevets) 20

21 Le tabac reconstitué: Le procédé «papetier» 21

22 Le tabac reconstitué: Le procédé «tabac homogénéisé» Transformations chimiques Process chaînes de pectines additifs eau chaude Côtes mélange cellulose 90 C 90 minutes séparation cellulose/pectines passage forcé au travers d'un tamis Ca mélange Ca solubilisation des pectines sécheur en 2 zones bande en inox injection vapeur refroidisseur size-press 65 mètres cylindre sécheur 22

23 Tabac expansé Pourquoi? Réduction de la densité apparente du mélange Réduction des taux de goudron Principe Impregnation du tabac avec un liquide. Evaporation brutale de ce liquide pour obtenir une augmentation de volume. Procédés de fabrication Dioxyde de carbone Azote Autres possibilités Eau à partir de tabac haché 23

24 La classification par contribution qualitative Quel que soit le type de tabac, on peut distinguer : Les tabacs dits "de base" (de goût ou aromatiques) Les tabacs dits "de remplissage" ou "courants" A l'intérieur de ces catégories et pour un type de tabac donné, des contributions différentes existent en fonction de : L'origine L'étage foliaire La maturité La pureté des tabacs Etc. Chaque lot de tabac est donc caratérisé par son type, son origine, son année de production, son grade. Un lot de tabac est unique 24

25 2) LE SCAFERLATI 2.2 La structure des mélanges 25

26 Les lignes de goût des cigarettes blondes Le "goût anglais" Classiquement composé à 100% de Virginie Le "goût américain" Equilibre entre Virginie et Burley Fort pourcentage de tabac reconstitué Faible part de tabacs d'orient Le "goût européen" Dominante Virginie Davantage de tabacs d'orient que le goût américain Le «goût orient» 100 % tabacs d orient 26

27 Composition type des mélanges blonds 100% 90% 80% 70% 60% % Recon Cotes Orient Burley Virginie 50% 40% 30% 20% 10% 0% Anglais Européen Américain 27

28 Les cigarettes brunes Structure classique des mélanges bruns tabacs bruns tabacs Kentucky tabacs d'orient tabac reconstitué côtes 55 à 60 % 0 à 10 % 12 à 14 % 0 à 10% 15% 28

29 La composition du mélange Une composition mélange c est Une structure mélange qui donne la part de chaque type de tabac dans le mélange Pour chaque part tabac une composition selon les grades Au total le mélange contiendra de 20 à 40 composants tabac différents Un mélange est forcément évolutif puisque quand un lot est épuisé il faut le remplacer par un autre qui n est pas identique 29

30 Les types de mélanges selon les marchés Mélanges américains Amérique du Nord (sauf Canada) Europe (Sauf RU) Melanges anglais Royaume Uni et commonwealth britannique Asie Afrique Amérique du Sud Les mélanges européens, bruns et orients sont en forte régression et maintenant minoritaires sur leurs marchés traditionnels Spécialités régionales Indonesie : mélange tabac - clou de girofle (Kretek). 30

31 2) LE SCAFERLATI 2.3 Les sauces et arômes 31

32 Sauces et Arômes : Définitions Une sauce (casing), c est un ensemble : de diverses catégories d additifs en solution dans de l eau appliquée sur des strips (tabac non haché) spécifique pour les différents éléments du mélange en grande quantité Un arôme (flavor), c est un ensemble : d agents de saveur en solution dans de l alcool (ou du propylène glycol) appliqué sur le scaferlati complet en très faible quantité 32

33 Le mélange final Un mélange, c est : 1 composition tabac + des sauces x % Burley y % Virginie z % Orients + 1 arôme Tabacs saucés MELANGE 33

34 Les sauces: Rôle Améliorer la machinabilité du tabac Stabiliser l humidité du tabac Exalter et lier les arômes naturels du tabac Apporter des notes aromatiques de base Orienter le mélange dans la ligne de goût choisie 34

35 Les sauces : ingrédients classiques Poudre de cacao Sucres solides Sucre, sucre d érable, vergeoises, etc.. Sucres liquides Sucre inverti, sirops (maïs, canne,...), miels, etc... Ingrédients aromatiques Poudre de réglisse Humectants Propylèneglycol, glycerol, sorbitol 35

36 Les arômes Rôle Donner au mélange une finition aromatique Fixer l univers aromatique du produit Ingrédients Matières premières aromatiques naturelles Arômes de synthèse 36

37 Sauces et Arômes: Selon le type de mélange Les mélanges peu ou pas saucés et aromatisés Mélanges bruns Mélanges «orient» Mélanges «anglais» Les mélanges saucés et aromatisés Mélanges «européen» Mélanges «américains» Les mélanges à dominante aromatisée Menthol 37

38 Sauces et Arômes: Aspect réglementaire La réglementation varie fortement selon les pays Liste positive (liste des ingrédients autorisés) Liste négative (liste des ingrédients interdits) Analogies avec les règlements de l industrie agro-alimentaire En France Liste positive Limite de 15% d ingrédients dans les mélanges» Sauces et arômes» Ingrédients de fabrication du tabac reconstitué» Papier» Colles d assemblage Nouvelles dispositions européennes 38

39 2) LE SCAFERLATI 2.5 Les propriétés physiques et chimiques des mélanges 39

40 Les procédés de préparation des mélanges Ensemble de traitements permettant de transformer une matière végétale en un matériau industriel : HOMOGENE dans le TEMPS et dans l ESPACE 8 tonnes de tabacs 10 millions de cigarettes à 0.8g identiques dans la tranche dans le temps 40

41 Le Mélange final: les propriétés physiques Pouvoir de remplissage Poids de tabac dans la cigarette Taux de goudron Combustibilité Choix du papier Taux de goudron Taux d humidité Conservation Qualités gustatives 41

42 Le Mélange final: Les propriétés Chimiques Nicotine Sucres totaux Humectants 1,7-2,2 % 8-12 % < 1% Américains 1,5-2,1 % 8-10 % 2-5% <1% 0% Anglais Bruns 1,4-1,9 % 42

43 3) LE PAPIER 43

44 Le papier: principales fonctions et propriétés Matière première : bois, textile, mixte Aspects visuels Marquage (Velin, Repsé, Vergé) Teinte Tenue de la cendre Caractéristiques de fumage Perméabilité à l air Naturelle et possibilité d ajouter des perforations. Accélérateurs de combustion Influence de la nature et de la quantité de charges Carbonate de calcium 44

45 4) LE FILTRE 45

46 Le filtre: Principales fonctions Un filtre est essentiellement un embout entre la colonne tabac et la bouche du consommateur Il modifie la fumée produite par la colone tabac Filtration de la fumée» Physique : capture des particules de la fumée» Chimique : filtration selective (Ex : charbon actif) Vecteur d aromatisation (éventuellement) Il modifie les caractéristiques de fumage Ventilation 46

47 Le filtre: Principe général de fonctionnement colonne tabac filtre papier à cigarette papier manchette gainage poreux 47

48 Le filtre Materiau filtrant Acetate de cellulose» Fibres» Réticulation par un plastifiant (triacetine) Papier» Ouate de cellulose Paramètres physiques Denier Longueur du filtre» pouvoir de rétention Adjonction de materiaux sélectifs Charbon actif, sepiolite Filtres composites multimateriaux 48

49 Le filtre - Filtres mono mono-cellulose mono-acétate de cellulose (PM 1931 Parliament ) (B&W 1936 Viceroy ) - Filtres dual Dual Dual-coal papier / acétate Dual papier carbone / acétate Charbon actif dans la mêche acétate Dual Charbon actif / acétate White Myria Fil de carbone / acétate - Filtres triple Triple symétrique acé/papier carbone/acé acé/charbon dans acé/acé Triple asymétrique cavité Etc 49

50 Le filtre: ventilation Df Dp DT Taux de Ventilation Filtre en % = Df/DT*100 Exemple : pour une cigarette ventilée à 40% 40% du flux d air passe par la manchette 60% passe par la colonne tabac Le taux de ventilation est réglé par : la porosité du gainage et la surface des ouvertures dans la manchette 50

51 Le filtre: Les effets de la ventilation Réduction significative de la bouffée La quantité d air qui arrive au cône incandescent pendant la bouffée est réduite par la ventilation Donc la quantité de fumée produite s en trouve aussi réduite Augmentation du nombre de bouffées Modification des conditions de conbustion Réduction de la vitesse d admission de l air sur le cône Abaissement de la température de combustion Légère modification de la chimie de la fumée produite Admission d air par le filtre La fumée apparaît comme diluée Interaction avec la filtration 51

52 5) LA CONSTRUCTION DE LA CIGARETTE 52

53 La construction des cigarettes Une cigarette est spécifiée par Un mélange tabac» Composition» Sauces & Arômes» Procedés de fabrication Un papier Un filtre Un format» Longueur» Diamètre Des consignes d assemblage» Poids de mélange 53

54 Les étapes de la construction (1) Le cahier des charges Eléments techniques : Format, Ligne de goût, Cible Goudron & Nicotine, Contraintes particulières marché cible Contraintes réglementaires Contraintes industrielles (capabilité des usines) Eléments économiques La réalisation de prototypes Etape laboratoire : mise en œuvre < 2 kg tabacs Etape pilote : mise en œuvre de 30 à 50 kg tabacs La sélection des variantes Mesures chimiques, physiques, fumage mécanique, analyse sensorielle Adéquation au cahier des charges 54

55 Les étapes de la construction (2) L industrialisation des cigarettes La mise en oeuvre des tabacs et des sauces est réalisée dans un site de production, selon des process reproductibles La confection des cigarettes est réalisée sur des machines de production courante La validation des produits Mesures chimiques, physiques, fumage mécanique, analyse sensorielle Tests marché Décision de mise sur le marché Spécifications Fabrication Contrôles qualité (conformité) 55

56 Quelques propriétés physiques importantes Résistance au tirage Perte de charge pneumatique de la cigarette Dureté de la cigarette Se mesure par un écrasement normalisé cigarette trop molle rejettée par la consommateur Perte par les bouts perte de mélange par l extémité de la cigarette critère de non qualité Tenue du cône d incandescence Tenue des cendres 56

57 6) LA FUMEE 57

58 Formation de la fumée Pyrolyse Distillation Combustion Condensation Filtration Air Diffusion Air 58

59 Diagramme de formation de la fumée Chaleur TABAC DISTILLATION PYROLYSE OXYDATION CENDRE AIR Gaz Eau Composés organiques volatils Composés organiques volatils et non volatils Composés organiques gazeux FUMEE 59

60 Propriétés physico-chimiques C'est un aérosol, comportant une phase liquide dispersée en fines gouttelettes (phase particulaire) dans un mélange de gaz (phase gazeuse). nombre de particules : 1-10 milliards/ml diamètre géométrique moyen : 0,2 µm densité : µg/ml La phase particulaire est un colloïde Eau : 15 à 20 % Phase organique dont Nicotine Polymères Particules solides 60

61 Composition chimique Autres 20% H2 + Ar 1% O2 13% Pigments 4% CO 4% Bases 3% Alcools 7% CO2 12% M.P.T. 4% Carbonyles 10% Phenols 3% P.G.O. 7% Carbonyles 32% N2 59% Fumée totale Hétérocycles 2% Acides & Esters 3% Nitriles 9% Eau 15% Acides & Esters 12% Hydrocarbure Nicotine s 7% 19% Matière particulaire totale Alcools 2% Autres 8% Hydrocarbures 44% Phase gazeuse organique 61

62 Contrôle de la Fumée de cigarette Les paramètres de fumage humain sont Extremement variables d un fumeur à l autre Variables chez le même fumeur selon les circonstances Variables selon le type de produit Difficiles à mesurer Nécessité d un fumage mécanique pour contrôler les cigarettes Le fumage m écanique ne vise pas a reproduire le mécanique comportement des fumeurs Il sert à comparer les produits dans des conditions de laboratoire stictement identiques et control ées controlées 62

63 La fumée: Le fumage mécanique Normalisation ISO Echantillonage : ISO 8243 Atmosphères de conditonnement : ISO 3402» T = 22 C; 60 % HR Machines à fumer : ISO 3308» Profil de bouffée, piège à fumée, dispositif d extraction, allumage, comptage des bouffées Fumage et determination du goudron : ISO 4387» paramètres de fumage : 1 bf par mn de 35 ml pendant 2s, spécification de la longueur du mégot, détermination du condensat total par gravimétrie et calcul du condensat anhydre et exempt de Nicotine (CAEN) Détermination de l eau par GC : ISO Détermination de la Nicotine par GC : ISO

64 La fumée: Le fumage mécanique Phase particulaire (TPM) Phase gazeuse Filtre Nicotine (N) Eau (E) Goudrons (= TPM-E-N) CO 64

65 La fumée: Le fumage mécanique 65

66 Taux de goudron, nicotine et CO Réglementation européenne (EU) Limite de teneur en goudron A partir du 1/1/2004 Goudron < 10 mg Nicotine < 1 mg Monoxyde de Carbone < 10 mg Obligation de marquage sur le paquet Taux de goudron, nicotine & CO Contrôle par les laboratoires officiels des pays membres selon des modalités nationales En France le LNE Méthodes officielles : Normes ISO 66

67 La fumée: Les autres composants La composition chimique de la fumée est très complexe Phase gazeuse : plusieurs centaines de composants Phase particulaire : plusieurs milliers de composants La fumée est un aérosol en équilibre dynamique Echanges entre phase gazeuse et phase particulaire Modification chimique par réactions post fumage» vieillissement La fumée ne peut être étudiée directement Partition phase gazeuse et phase particulaire Différents types de piègeage» Influence du mode de collection sur la composition chimique 67

68 La fumée: Les autres composants Liste des composés «Hoffmann» - 40 ans de Recherche sur le tabac - + de 600 publications - Directeur associé du «American Health Foundation» 1990s: Publication de 3 différentes listes 1993: liste des "compounds that make a major contribution to the toxicity of cigarette smoke of U.S. non-filtered cigarettes" 1997: liste des "carcinogens in tobacco and tobacco smoke" 1998: liste des biologically active agents in the mainstream smoke of non-filter cigarettes" 68

69 La fumée: Les autres composants Comparaison des listes «Hoffmann» single compounds 8 groups of 9 groups of and 6 groups of compounds compounds compounds, resp. 17 single 60 single 82 single compounds compounds compounds, but explicitly named (+ Cadmium missing (?) ph and redox potential) Amounts in smoke Amounts in smoke Amounts in smoke and reasons for and IARC evaluation given inclusion given given 69

70 La fumée: Les autres composants Group Reg. requirements Hoffmann lists tar, nic, CO NH3, HCN, NO, NOx Carbonyls 8 4 carbonyls not on lists Semi-volatiles 8 toluene not on lists Phenols 6 4 phenols not on lists Nitrosamines 4 TSNA NAT not on lists PAH 1 (B[a]P) Aromatic amines 4 2 AAs not on lists Trace metals 7 Selenium not on lists "Classical" Small molecules = 45 70

71 La fumée: Les autres composants Années 1980 : Publications du Dr Hoffmann Phase Gazeuse CO NO VOC 13Butadiene 1995 : Labstat (B. Rickert) développe des Isoprene Acrylonitrile méthodes d analyses sur 44 composés de la fumée Phase particulaire Benzene Phenols Phenol Mpcresol Ocresol Catechol Hydroquinone Resorcinol HAP BaP TSNA Toluene Styrene Fumée totale Carbonyls NAB NH : Le Canada publie une liste Formaldehyde de 44 éléments, NAT Acetaldehyde NNN Semi volatile Acetone appellée : listennk Hoffmann Pyridine Acroleine Aromatic amines 1 naphtylamine 2naphtylamine 3aminobiphenyl 4aminobiphenyl Styrene Quinoline HCN Metals Propionaldehyde Crotonaldehyde MeEtKetone Butyraldehyde As, Cd, Cr, Pb, Ni, Se, Hg 71

72 Quelques références Le tabac B. Pitié et P. Schiltz Collection Que sais-je?; PUF; 1999 Tobacco - Production, Chemistry and Technologie D.L. Davies et M.T. Nielsen World Agriculture Series; Blackwell Science; 1999 Production, Physiology and biochemistry of tobacco plant T.C. Tso Ideals Inc;