基于實(shí)時(shí)升溫紅外光譜研究煙草熱解化學(xué)結(jié)構(gòu)變化研究

梁海玲

摘? ?要：采用實(shí)時(shí)升溫紅外光譜儀分析煙草熱解化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化特性，通過(guò)在線分析烤煙、白肋煙、香料煙與“三絲”的化學(xué)結(jié)構(gòu)，了解其中的變化規(guī)律?；诖耍恼乱詿煵轃峤饣瘜W(xué)結(jié)構(gòu)變化作為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)煙草熱解行為分析，了解室溫環(huán)境下煙草紅外光譜情況，明確煙草化學(xué)結(jié)構(gòu)隨溫度的變化，探究實(shí)驗(yàn)條件對(duì)結(jié)構(gòu)變化的影響。

關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)升溫檢測(cè);紅外光譜;煙草熱解;化學(xué)結(jié)構(gòu)

不管是傳統(tǒng)卷煙，還是低溫卷煙，煙草的品質(zhì)都要通過(guò)熱解來(lái)體現(xiàn)，分析煙草在加熱狀態(tài)下的化學(xué)變化規(guī)律，有利于實(shí)現(xiàn)卷煙生產(chǎn)技術(shù)的創(chuàng)新。煙草熱解時(shí)會(huì)釋放煙氣，產(chǎn)生殘留物，對(duì)殘留物進(jìn)行化學(xué)研究能夠解決煙草燃燒時(shí)的掉灰問(wèn)題。

1? ? 材料與方法

1.1? 材料與儀器

選取貴州省鎮(zhèn)遠(yuǎn)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(shí)驗(yàn)原材料。其中印第安火種香煙原料出自貴州北緯27°原生態(tài)小產(chǎn)區(qū)外加美國(guó)煙草莊園，煙草吸食燃燒時(shí)帶有調(diào)香味。應(yīng)用進(jìn)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(tǒng)、Fz-02粉碎機(jī)為本次實(shí)驗(yàn)器材。

1.2? 實(shí)驗(yàn)方法

樣品前處理。將樣品在40 ℃的烘箱內(nèi)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(tǒng)檢測(cè)樣品中的碳?xì)溲醯刭|(zhì)量分?jǐn)?shù)。對(duì)樣品展開(kāi)同步熱分析測(cè)定，稱(chēng)量15 mg的樣品，將坩堝放在同步分析儀樣品室內(nèi)，以20 mL/min的空氣氣氛進(jìn)行測(cè)量，從30 ℃開(kāi)始，平均升溫20 ℃/min，直到溫度升高到900 ℃。應(yīng)用實(shí)時(shí)紅外光譜儀器進(jìn)行測(cè)定，使用瑪瑙研缽將溴化鉀磨成粉末狀態(tài)，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(jī)將混合粉末壓成溴化鉀晶片，晶片內(nèi)帶有一定含量的煙草粉末。把晶片放在加熱箱內(nèi)，將加熱箱放在紅外光譜儀腔內(nèi)，以20 ℃/min的速度升溫到580 ℃。隨后，在不同溫度狀態(tài)下測(cè)量煙草紅外光譜。設(shè)定空氣中10%氧氣、氮?dú)饬髁繛?.5 L/min，設(shè)定溫度，穩(wěn)定后將0.2 g的樣品粉末放在石英舟中，推入管式爐進(jìn)行熱解處理。熱解后冷卻并收集樣品，展開(kāi)紅外光譜測(cè)試，將其與抽吸煙灰進(jìn)行對(duì)比，將烤煙制作為卷煙，抽吸之后采集煙灰，再進(jìn)行紅外光譜分析研究[1]。

2? ? 結(jié)果與討論

2.1? 煙草熱解行為分析

煙草樣品質(zhì)量損失主要在150～400 ℃，400～570 ℃區(qū)間范圍內(nèi)，但兩個(gè)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(tài)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(fā)階段、易揮發(fā)成分溢出與降解階段、難揮發(fā)成分降解階段、焦炭降解階段和殘?jiān)到怆A段。煙草中小分子酸、酮、酯、煙堿等成分容易揮發(fā)，淀粉、半纖維素、果膠、蛋白質(zhì)等成分難以揮發(fā)。低溫狀態(tài)下，煙草含氧量高，為煙草熱解的產(chǎn)物帶來(lái)氧源，這時(shí)煙草氧化放熱量比較低。高溫狀態(tài)下，煙草含氧量較低，氧化降解耗氧量增加。

2.2? 煙草化學(xué)結(jié)構(gòu)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(jī)酸類(lèi)、多酚類(lèi)以及醇類(lèi)等有機(jī)成分物質(zhì)?？緹熤蠧元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，能達(dá)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(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，為45.92%;白肋煙中N元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，為3.62%。根據(jù)各個(gè)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(qiáng)峰源于含碳水化合物、酚類(lèi)和醇類(lèi)的O-H伸縮振動(dòng)與蛋白質(zhì)、氨基酸的N-H伸縮振動(dòng)。3 000～2 780 cm-1吸收峰源于化學(xué)成分C-H伸縮振動(dòng)的疊加。1 800～1 650 cm-1肩峰源于煙草中果膠羧基、酯類(lèi)等C=O雙鍵伸縮振動(dòng)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(shí)存在獨(dú)有特征吸收峰，可將其歸納為硝酸鹽N=O鍵不對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)[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(shí)時(shí)升溫紅外光譜和烤煙的變化趨勢(shì)相近，白肋煙、膨脹梗絲、再造煙葉的實(shí)時(shí)升溫紅外光譜和烤煙的變化趨勢(shì)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(shí)消失該情況，說(shuō)明N=O化合物此時(shí)會(huì)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(wú)法在500 ℃時(shí)完全分解。

2.3? 實(shí)驗(yàn)條件對(duì)煙草熱解化學(xué)結(jié)構(gòu)變化的影響

當(dāng)溫度為800 ℃、氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，將烤煙煙末熱解30 s，1 min，2 min，4 min。延長(zhǎng)時(shí)間與升高溫度都能夠降低烤煙紅外特征吸收峰強(qiáng)度，經(jīng)紅外光譜圖對(duì)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(qiáng)度大范圍降低，新的吸收峰出現(xiàn)。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(tài)下的烤煙比較相近。實(shí)時(shí)升溫紅外測(cè)試中的紅外光譜雖然也有碳酸鹽紅外特征吸收峰，但是強(qiáng)度不大，說(shuō)明580 ℃的烤煙熱解殘留物中初步生成了無(wú)機(jī)鹽，卷煙抽吸、800 ℃熱解4 min后才能有大量無(wú)機(jī)鹽生成并轉(zhuǎn)化。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

總而言之，無(wú)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(tuán)強(qiáng)度會(huì)隨著溫度的變化出現(xiàn)差異。同一種煙草樣品的不同官能團(tuán)強(qiáng)度會(huì)隨著溫度的變化出現(xiàn)明顯差異，150～400 ℃失重區(qū)域內(nèi)，煙草中的O-H和C-O基本消失，C=O少量殘留;400～580 ℃失重區(qū)域內(nèi)C-H與芳香成分產(chǎn)生氧化反應(yīng)，同時(shí)釋放熱量，初步生成無(wú)機(jī)鹽。600 ℃以上無(wú)機(jī)鹽大量生產(chǎn)且出現(xiàn)轉(zhuǎn)化反應(yīng)，同時(shí)吸收熱量，該實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果對(duì)低溫卷煙煙芯材料的設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)卷煙掉灰缺陷的解決有著重要的參考價(jià)值。

[參考文獻(xiàn)]

[1]詹望成，郭楊龍，周?chē)?guó)俊.煙草高溫?zé)峤獬煞值奈脚c再釋放[J].華東理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018（3）：375-381.

[2]謝映松，陳剛，王成名.基于實(shí)時(shí)升溫紅外光譜研究煙草熱解化學(xué)結(jié)構(gòu)變化[J].煙草科技，2016（10）：51-59.