基于實時升溫紅外光譜研究煙草熱解化學結構變化研究

梁海玲

摘? ?要：采用實時升溫紅外光譜儀分析煙草熱解化學結構的變化特性，通過在線分析烤煙、白肋煙、香料煙與“三絲”的化學結構，了解其中的變化規律。基于此，文章以煙草熱解化學結構變化作為研究對象，通過對煙草熱解行為分析，了解室溫環境下煙草紅外光譜情況，明確煙草化學結構隨溫度的變化，探究實驗條件對結構變化的影響。

關鍵詞：實時升溫檢測;紅外光譜;煙草熱解;化學結構

不管是傳統卷煙，還是低溫卷煙，煙草的品質都要通過熱解來體現，分析煙草在加熱狀態下的化學變化規律，有利于實現卷煙生產技術的創新。煙草熱解時會釋放煙氣，產生殘留物，對殘留物進行化學研究能夠解決煙草燃燒時的掉灰問題。

1? ? 材料與方法

1.1? 材料與儀器

選取貴州省鎮遠縣烤煙、貴州松桃縣白肋煙、貴煙印第安火種香煙、膨脹煙絲、膨脹梗絲、再造煙葉為本次實驗原材料。其中印第安火種香煙原料出自貴州北緯27°原生態小產區外加美國煙草莊園，煙草吸食燃燒時帶有調香味。應用進口STA8000同步熱分析儀、Magna750型傅里葉變換紅外光譜儀、Vario EL型元素分析系統、Fz-02粉碎機為本次實驗器材。

1.2? 實驗方法

樣品前處理。將樣品在40 ℃的烘箱內烘干4 h，粉碎處理后果150 μm篩，將煙草粉末在22 ℃與60%左右的溫濕度條件下平衡放置8 h。使用元素分析系統檢測樣品中的碳氫氧氮元素質量分數。對樣品展開同步熱分析測定，稱量15 mg的樣品，將坩堝放在同步分析儀樣品室內，以20 mL/min的空氣氣氛進行測量，從30 ℃開始，平均升溫20 ℃/min，直到溫度升高到900 ℃。應用實時紅外光譜儀器進行測定，使用瑪瑙研缽將溴化鉀磨成粉末狀態，在其中加入少量成分的煙草粉末，充分研磨后讓粉末混合均勻兩種，使用壓片機將混合粉末壓成溴化鉀晶片，晶片內帶有一定含量的煙草粉末。把晶片放在加熱箱內，將加熱箱放在紅外光譜儀腔內，以20 ℃/min的速度升溫到580 ℃。隨后，在不同溫度狀態下測量煙草紅外光譜。設定空氣中10%氧氣、氮氣流量為0.5 L/min，設定溫度，穩定后將0.2 g的樣品粉末放在石英舟中，推入管式爐進行熱解處理。熱解后冷卻并收集樣品，展開紅外光譜測試，將其與抽吸煙灰進行對比，將烤煙制作為卷煙，抽吸之后采集煙灰，再進行紅外光譜分析研究[1]。

2? ? 結果與討論

2.1? 煙草熱解行為分析

煙草樣品質量損失主要在150～400 ℃，400～570 ℃區間范圍內，但兩個階段熱釋放量完全相反。前者的氧化釋熱焓值最高只有﹣0.704 kJ/g，而在400～570 ℃狀態下煙草的氧化釋熱焓值卻有﹣5.524 kJ/g。煙草熱解主要有吸附水蒸發階段、易揮發成分溢出與降解階段、難揮發成分降解階段、焦炭降解階段和殘渣降解階段。煙草中小分子酸、酮、酯、煙堿等成分容易揮發，淀粉、半纖維素、果膠、蛋白質等成分難以揮發。低溫狀態下，煙草含氧量高，為煙草熱解的產物帶來氧源，這時煙草氧化放熱量比較低。高溫狀態下，煙草含氧量較低，氧化降解耗氧量增加。

2.2? 煙草化學結構隨溫度的變化

2.2.1? 室溫下煙草紅外光譜各峰歸屬

煙草中含量最多的是碳水化合物、含氮化合物、有機酸類、多酚類以及醇類等有機成分物質。烤煙中C元素質量分數最大，能達到43.64%;膨脹煙絲中H元素含量最多，有6.07%;再造煙葉中的O元素質量分數最大，為45.92%;白肋煙中N元素質量分數最大，為3.62%。根據各個煙草樣品RTR-IR光譜圖、烤煙紅外吸收峰歸屬情況分析得知，3 700～3 100 cm-1寬強峰源于含碳水化合物、酚類和醇類的O-H伸縮振動與蛋白質、氨基酸的N-H伸縮振動。3 000～2 780 cm-1吸收峰源于化學成分C-H伸縮振動的疊加。1 800～1 650 cm-1肩峰源于煙草中果膠羧基、酯類等C=O雙鍵伸縮振動疊加。室溫條件下，香料煙、“三絲”紅外光譜與烤煙相似，白肋煙紅外光譜在1 382 cm-1時存在獨有特征吸收峰，可將其歸納為硝酸鹽N=O鍵不對稱伸縮振動[2]。

2.2.2? 煙草紅外光譜隨溫度變化

貴煙印第安火種香煙、膨脹煙絲實時升溫紅外光譜和烤煙的變化趨勢相近，白肋煙、膨脹梗絲、再造煙葉的實時升溫紅外光譜和烤煙的變化趨勢差異明顯，這3種煙草在紅外譜圖中有1 382 cm-1的吸收峰。白肋煙升溫到500 ℃時消失該情況，說明N=O化合物此時會被分解完畢。膨脹梗絲與再造煙葉氮元素含量較低，N=O化合物無法在500 ℃時完全分解。

2.3? 實驗條件對煙草熱解化學結構變化的影響

當溫度為800 ℃、氧氣質量分數為10%時，將烤煙煙末熱解30 s，1 min，2 min，4 min。延長時間與升高溫度都能夠降低烤煙紅外特征吸收峰強度，經紅外光譜圖對比研究，得知烤煙熱解后殘留物紅外光譜變化明顯，原有的紅外吸收峰強度大范圍降低，新的吸收峰出現。800 ℃條件下的烤煙空氣氛圍中熱解4 min，殘留物紅外光譜和抽吸狀態下的烤煙比較相近。實時升溫紅外測試中的紅外光譜雖然也有碳酸鹽紅外特征吸收峰，但是強度不大，說明580 ℃的烤煙熱解殘留物中初步生成了無機鹽，卷煙抽吸、800 ℃熱解4 min后才能有大量無機鹽生成并轉化。

3? ? 結語

總而言之，無論是烤煙、白肋煙，還是三絲煙，不同煙草樣品中的相同官能團強度會隨著溫度的變化出現差異。同一種煙草樣品的不同官能團強度會隨著溫度的變化出現明顯差異，150～400 ℃失重區域內，煙草中的O-H和C-O基本消失，C=O少量殘留;400～580 ℃失重區域內C-H與芳香成分產生氧化反應，同時釋放熱量，初步生成無機鹽。600 ℃以上無機鹽大量生產且出現轉化反應，同時吸收熱量，該實驗研究結果對低溫卷煙煙芯材料的設計和傳統卷煙掉灰缺陷的解決有著重要的參考價值。

[參考文獻]

[1]詹望成，郭楊龍，周國俊.煙草高溫熱解成分的吸附與再釋放[J].華東理工大學學報（自然科學版），2018（3）：375-381.

[2]謝映松，陳剛，王成名.基于實時升溫紅外光譜研究煙草熱解化學結構變化[J].煙草科技，2016（10）：51-59.