幾種煙草薄片的性能及熱裂解產物分析

賈偉萍 劉達岸，2 劉文婷 王 波 王 昊 安俊健 王 磊，*

（1.湖北中煙工業有限責任公司，湖北武漢，430040；2.重組煙葉應用技術研究湖北省重點實驗室，湖北武漢，430040；3.湖北工業大學綠色輕工材料湖北省重點實驗室，湖北武漢，430068）

煙草薄片（又稱再造煙葉）是利用卷煙生產過程中廢棄的煙末和煙梗等煙草原料，外加植物纖維、煙草提取液、成形助劑和填料等制成的與天然煙葉成分、性狀相似的薄片[1-2]。煙草薄片的開發和生產不僅能夠減少煙草原料的浪費，充分利用煙草資源以降低生產成本；還能有效降低卷煙燃燒過程中焦油等有害成分的產生量，從而提高卷煙在抽吸時的安全性。同時，在卷煙中加入煙草薄片后，能使卷煙中的總糖含量、還原糖含量、總氮含量和煙堿含量等不同程度地下降，因此可以通過調控煙草薄片成分調節卷煙的化學組分[3]。

煙草薄片的纖維形態及化學組分的表征有助于分析其對卷煙化學組分的影響；熱失重特性可以從一定程度上反映高溫對煙草薄片熱裂解特性的影響[4-5]；熱裂解特性對其在卷煙中的實際應用具有重要的理論指導意義[6-7]。20 世紀70 年代，熱裂解儀與氣相色譜/質譜聯用技術就在煙草研究領域得到了廣泛應用[8-9]，大量研究采用熱裂解-氣相色譜/質譜聯用儀（Py-GC/MS）對煙草薄片的熱裂解行為進行了表征，并對其熱裂解產物進行了定性和半定量分析[10-11]，但未對熱裂解產物中致香成分和有害成分進行篩選和分析。本研究選用了10 種典型的煙草薄片樣品（9 種國產，1種進口），對其化學組分和熱失重特性進行了表征，通過Py-GC/MS 對其熱裂解特性進行了研究，并通過對熱裂解產物分析，研究了其中的致香成分和有害成分，從而為煙草薄片的化學組分、熱失重特性和熱裂解特性對卷煙性能的影響及后續香精香料的添加技術提供了理論支持。

1 材料與方法

1.1 實驗原料與儀器

原料：10 種煙草薄片樣品，由湖北新業煙草薄片開發有限公司提供，如表1所示。

儀器：可控溫高溫爐（FO810，日本YAMATO公司）；冷凍干燥機（4.5 L，美國LABCONCO 公司）；鼓風式烘箱（DNG-9140A，上海精宏實驗設備有限公司）；分析天平（ME204，瑞士Mettler Toledo 公司）；振蕩器（KS260，德國IKA 公司）；連續流動分析儀（AA3，德國Seal Analytical 公司）；植物粉碎機（A11，德國IKA 公司）；消化器（SH60A，濟南海能儀器股份有限公司）；熱重/差熱綜合熱分析儀（6300，美國PerkinElmer 公司）；氣相色譜/質譜聯用儀（6890N/5975，美國Agilent 公司）；質量選擇檢測器（HP5971A，美國Agilent公司）；熱裂解儀（5200，美國CDS公司）。

1.2 分析方法

1.2.1 化學組分測定

按照相應國家標準或煙草行業標準測定了煙草薄片的含水率（GB/T 462—2008）、熱水抽出物含量（GB/T 2677.4—1993）、總糖和還原糖（YC/T 159—2019）、總植物堿（YC/T 160—2002）、總氮（YC/T 161—2002）和灰分（GB/T 742—2008）。

1.2.2 熱失重性能分析

稱取約20 mg 冷凍干燥后的煙草薄片樣品，置于氧化鋁坩堝中進行熱失重分析，載氣為空氣，參比物為氧化鋁，流速40 mL/min，升溫速率10℃/min，升溫至900℃，實驗過程可同時得到樣品的TG 曲線、DTG曲線和生物炭收率（R）。

1.2.3 Py-GC/MS分析

稱取0.1 mg 樣品放入石英管中，初始溫度50℃，升溫速率10℃/ms，升溫至900℃后保持25 s；選取空氣為裂解產物載氣，流速70 mL/min；吸附溫度50℃，脫附溫度280℃，脫附時間2 min；傳輸線280℃，爐溫270℃；進樣口溫度為300℃，色譜柱型號HR-35MS （30 m×250 μm×0.25 μm）。升溫程序如下：40℃下保持1 min，升溫速率6.0℃/min，升溫至290℃后保持10 min，分流比50∶1。質譜儀離子源EI，電子能量70 eV；接口溫度230℃，掃描范圍20～400 m/z，掃描速率500 Da/s，檢索譜圖庫NIST-14。

采用峰面積歸一化的方法定量分析和計算熱裂解產物中每一組分在產物中的相對百分含量。

表1 煙草薄片樣品Table 1 Samples of tobacco sheets

2 結果與討論

2.1 煙草薄片化學組分

煙草薄片的熱水抽出物含量、總糖含量、還原糖含量、總植物堿含量、總氮含量和灰分等化學組分如表2所示。

熱水抽出物含量高的煙草薄片，其相應的可溶性組分含量也較高。從表2可以看出，廣東煙草薄片和杭州煙草薄片的熱水抽出物含量較高。煙草薄片中總糖含量和還原糖含量對抽吸時的感官評價指標（煙味、口感、霧化效果、雜氣和刺激評價等）有積極作用；因此，總糖含量和還原糖含量越高，對煙草的抽吸品質越有利；實驗結果表明，福建煙草薄片和湖北煙草薄片總糖含量較高，福建煙草薄片、湖北煙草薄片、許昌煙草薄片和杭州煙草薄片的還原糖含量較高，感官評價指標應較高。總植物堿含量越高，在抽吸時的理化性能越差；因此，總植物堿含量越低，其相應的抽吸品質越好；法國煙草薄片、廣東煙草薄片、上海煙草薄片和云南煙草薄片a 的總植物堿含量較低，品質相對較好。煙草薄片中總氮含量越低，越有利于提升其品質；由表2可知，福建煙草薄片、江蘇煙草薄片和杭州煙草薄片的總氮含量較低。煙草薄片中灰分主要來源于生產過程中加入的無機填料及煙草植物原料在燃燒后產生的無機成分，灰分含量越高表明填料加入量越高；由于填料為多孔物質具有吸附性，會減少煙草薄片抽吸時產生煙氣的水分含量，從而對煙氣品質產生一定不良影響；因此，灰分含量越低，煙草薄片質量越好；研究結果表明，許昌煙草薄片、云南煙草薄片a、云南煙草薄片b 和法國煙草薄片的灰分含量較低，因此其品質較高。

2.2 煙草薄片的熱失重特性

本研究對煙草薄片進行了熱失重特性分析，得到的TG曲線、DTG曲線和生物炭收率（R）如圖1所示。

由圖1 可知，不同煙草薄片的主要質量損失在200～500℃范圍內。從圖1(a)和1(b)中可以看出，不同煙草薄片的質量損失可分為以下幾個階段：第一階段為室溫至200℃，煙草薄片在此溫度區間的質量損失較小，質量損失范圍為6%～10%；這一階段為煙草薄片樣品殘余水分的脫除階段；第二階段為200～420℃，在此溫度區間內，煙草薄片的質量損失較為明顯，其質量損失范圍為48%～58%，這是熱解的主要階段之一；第三階段為400～500℃，在此溫度范圍內，煙草薄片出現第2個重要的質量損失階段，其質量損失范圍為72%～86%；第四個階段為大于500℃，在此溫度區間內，煙草薄片的質量損失較小，且最終得到的煙草薄片生物炭收率（R）范圍為8.52%～18.09%。從圖1（c）和圖1（d）也可以看出，在煙草薄片的質量損失過程中，有兩處較大質量損失速率出現，對應溫度范圍分別為293～324℃和434～470℃，質量損失速率范圍分別為2～7%/min和2～24%/min。

表2 煙草薄片的化學組分Table 2 Chemical components of tobacco sheets %

2.3 煙草薄片的熱裂解特性分析

利用Py-GC/MS 定量分析了煙草薄片樣品的熱裂解特性，熱裂解產物分析如表3 所示。從表3 可以看出，煙草薄片的熱裂解產物包括酮類、醛類、酸類、酯類、糖類和烯類等化合物。通過對該部分的產物進行分析，將煙草薄片熱裂解產物中的主要致香成分和有害成分進行了分析，結果如圖2所示。

從表3 和圖2 可以看出，煙草薄片的熱裂解產物中的致香成分主要有4～5 種，占整個熱裂解產物的3%～9%，其中福建煙草薄片、江蘇煙草薄片、許昌煙草薄片和云南煙草薄片b的致香成分含量較低；云南煙草薄片a 和法國煙草薄片的致香成分含量較高，分別為8.02%和6.88%。

從表3 和圖2 還可以看出，煙草薄片的有害成分主要有醋酸、甲苯和苯酚，其含量大小順序為醋酸（5.3%～14.3%）＞甲苯（1.4%～4.9%）＞苯酚（0.8%～1.4%）。此外，福建煙草薄片、湖北煙草薄片、廣東煙草薄片、江蘇煙草薄片、上海煙草薄片、許昌煙草薄片和杭州煙草薄片熱裂解產物中的有害成分還含有丙酮；云南煙草薄片a 和云南煙草薄片b 熱裂解產物中的有害成分還含有甲苯酚。煙草薄片熱裂解產物中均含有4～5 種有害成分，其有害成分總量占熱裂解產物的14%～26%，其中，廣東煙草薄片、上海煙草薄片、云南煙草薄片a 和云南煙草薄片b 的有害成分含量較低；湖北煙草薄片和杭州煙草薄片的有害成分含量較高。

圖1 煙草薄片的TG和DTG曲線Fig.1 TG and DTG curves of tobacco sheets

圖2 煙草薄片樣品的致香成分和有害成分含量Fig.2 Aroma components and harmful components of tobacco sheets

表3 煙草薄片樣品的熱裂解產物分析Table 3 Analysis of pyrolysis products of tobacco sheets

3 結 論

本研究對煙草薄片樣品（9 種國產，1 種進口）進行了化學組分、熱失重和熱裂解特性，及熱裂解產物的分析。

3.1 10 種煙草薄片樣品的含水率差異不大（8.09%～13.69%）；其他化學組分（熱水抽出物含量、總糖含量、還原糖含量、總植物堿含量、總氮含量和灰分含量）差異較大。

3.2 熱重分析表明，煙草薄片質量損失的主要溫度范圍在200～500oC，不同煙草薄片的最終生物炭收率范圍為8.52%～18.09%。煙草薄片的質量損失過程可分為4個階段，各個階段的質量損失差別不大，但質量損失速率對應的溫度及最大質量損失速率有所不同。

3.3 煙草薄片熱裂解產生的主要致香成分包括：3-甲基-1,2-環戊二酮、D-檸檬烯、正十六酸、2-甲氧基苯酚、丙三醇、2-甲氧基-4-乙烯基苯酚和亞麻油酸等；熱裂解產生的主要有害成分包括：丙酮、對甲苯酚、醋酸、甲苯和苯酚等。