烤烟烟叶主要元素与燃烧热关系研究

周顺，宁敏，王孝峰，郭东锋，徐迎波，何庆，张亚平,佘世科，田振峰

安徽中烟工业有限责任公司技术中心, 合肥市高新区天达路9号 230088

烤烟烟叶主要元素与燃烧热关系研究

周顺，宁敏，王孝峰，郭东锋，徐迎波，何庆，张亚平,佘世科，田振峰

安徽中烟工业有限责任公司技术中心, 合肥市高新区天达路9号 230088

为考察烤烟烟叶中主要元素对其燃烧特性的影响，对全国17个区域、7个品种、上中下三个部位的37个烤烟样品进行元素分析和燃烧热测试，利用R统计方法对烤烟总燃烧热（THR）及其主要元素含量（C、H、O、N、K、S和Cl）进行了描述，并研究了两者间的相关性。结果表明：①烤烟烟叶总燃烧热主要由三个部分组成，按照产生顺序依次为易挥发小分子挥发热解产物燃烧热、难挥发大分子热解产物燃烧热以及焦炭热解产物燃烧热；②烤烟七种元素中C和O含量最高，然后依次为H、N、K、S和Cl。其中，不同烤烟烟叶中Cl含量差异较大，C、H和O含量则差异较低；③烤烟THR与C、H和N含量呈极显著正相关，与S呈显著正相关，与O、K、Cl、K/Cl无显著相关性。

燃烧热；元素；烤烟；R统计法

燃烧热是烟草燃烧特性的重要参数之一，与卷烟烟气感官质量、烟气有害物质释放以及卷烟引燃倾向等都密切相关[1-5]。冯茜等通过对普通卷烟和低引燃倾向卷烟燃烧热的测量，发现两者有显著差异，进而建立了利用燃烧热来评价卷烟引燃倾向的方法[4-5]。周顺等则系统研究了烟草及其主要化学成分的燃烧热释放特性[6-12]。例如，他们比较研究了烤烟、白肋烟和香料烟的燃烧行为，发现烤烟、白肋烟和香料烟的燃烧温度区间主要在150～600 ℃之间；香料烟与白肋烟的燃烧性好于烤烟[6]。他们还比较研究了纤维素、果胶和淀粉的燃烧行为，发现在相同的燃烧条件下，纤维素的燃烧性优于淀粉，而果胶的燃烧性最差，而且升温速率较燃烧气氛对纤维素、果胶和淀粉燃烧行为的影响更大[7]。此外，他们也对卷烟“三丝”[8]、造纸法再造烟叶纸基[9]、造纸法再造烟叶[10]、烟草中主要有机酸（柠檬酸、苹果酸等）[11-13]、卷烟纸[14]等的燃烧热释放特性进行了研究。但以上研究基本集中在以下两个方面，一是考察燃烧条件对烟草及烟草制品燃烧特性影响；二是研究烟草种类及其主要化学成分燃烧特性差异。而从元素组成角度研究其对烟草燃烧热影响则鲜有报道。本文对全国17个区域、7个品种、上中下三个部位的37个烤烟样品进行元素分析和燃烧热测试，利用R统计分析方法研究了烤烟总燃烧热（THR）与其主要元素间的相关性，旨在为烟草燃烧特性的分析和评价提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

材料来源于云南、贵州、四川、福建、湖南、重庆、安徽等地的X2F、C3F、B2F 三个等级烟叶样品，共计37份，50 ℃烘干，粉碎过100目筛备检。

VarioEL型号元素分析系统（德国元素分析系统公司）；PL203-IC型号天平（0.001 g，上海梅特勒托利多仪器有限公司）；Fz-02型号粉碎机（温岭市百乐粉碎设备厂）；微燃烧量热仪( MCC-2 型，美国哥马克公司)，具体构造和工作原理已有文献详细描述[7]。

1.2 烟叶元素检测方法

烟叶元素检测方法参考已有文献[15]。氯和钾分别按照行业标准YC/T 162—2011和YC/T 217—2007进行测定。

1.3 烟叶总燃烧热测定方法

称取 4-6 mg 烟草样品置于微燃烧量热仪内，在纯氮气气氛下以 1 ℃/s 的升温速率从室温升至650 ℃，热解产物实时进入温度为 900 ℃、气氛为 10% 氧气浓度的燃烧池内燃烧，检测并记录氧气浓度变化，并根据氧消耗原理计算热释放速率，再经积分求解后，得到烟草总燃烧热。重复3次，取平均值。

1.4 数据分析

采用R软件对数据进行统计分析[16-18]。

2 结果与讨论

2.1 烟草燃烧热释放行为

图1 烤烟烟叶（云南昆明、等级为C3F）燃烧热释放速率随温度变化曲线Fig. 1 HRR curve of fuel-cured tobacco leaf (C3F, Kunming,Yunnan) versus temperature

图1是产于云南昆明、等级为C3F的烟叶燃烧热释放速率（HRR）随温度的变化曲线。可以看出其燃烧热释放有三个阶段，分别位于100-250 ℃、250-400 ℃以及400-620 ℃之间。据已有文献，烤烟热解主要分为以下几个阶段：吸附水蒸发、易挥发小分子逸出和分解、难挥发大分子分解、焦炭分解以及残渣分解[18-20]。由于测试燃烧热时，烟草先在氮气中热解，所生成气体再进入燃烧室中燃烧，因此燃烧热测试包含两步，即热解和生成气体燃烧。所以烟草燃烧热释放的三个阶段分别对应于易挥发小分子逸出和分解产物燃烧热、难挥发大分子分解产物燃烧热以及焦炭分解产物燃烧热。

2.2 检测结果统计描述

对37个烤烟烟叶中元素含量、元素比以及总燃烧热释放进行统计描述，结果见表1。可以看出，C元素平均含量高达43.28%，O元素平均含量则高达39.63%，充分说明C和O是烤烟烟叶中两种最主要元素。H元素含量范围在5.79-6.51%，均值为6.28%，是烤烟烟叶中含量排在C、O之后的第三个重要元素。烤烟烟叶中含有多种蛋白质、氨基酸、烟碱等，它们使氮元素成为烤烟烟叶中不可或缺的元素之一，其平均含量为2.31%。钾元素平均含量为2.29%，其不仅具有重要的生理功能，还可以提升烟草化学品质以及提高燃烧性，对烟草重要性不言而喻。烤烟中硫元素平均含量为0.81%，主要以有机硫（如巯基、硫醚和二硫键）和无机硫酸根形式存在。氯元素是烤烟中这七种元素含量最低的一种，平均含量为0.42%，虽然不利烟草燃烧，但可增强烟草抗旱能力，并促进燃烧烟灰凝聚。对于不同烤烟烟叶中元素含量分布特性来说，Cl含量变异系数最大，高达38.96%，而C、H、O的含量变异系数均低于6%，K、S、N变异系数在15%～26%之间，说明不同烤烟烟叶中Cl含量有较大差异，C、H、O元素含量在不同烤烟烟叶中差异不大。另外，37个烤烟烟叶THR位于14.2-17.9 KJ/g之间，其变异系数为5.64。

表1 元素含量、元素比和总燃烧热的统计描述Tab. 1 Statistics of THR, primary elements content and element proportion

2.3 烟草总燃烧热与其主要元素间简单相关分析

表2 烟草总燃烧热与其主要元素简单相关分析结果Tab. 2 Correlation between THR and elemental compositions

对烟草总燃烧热与其主要元素间进行简单相关分析，结果见表2和图2，表明：THR与烟草中C（相关范围0.42～0.81）、H（相关范围0.27～0.74）和N（相关范围0.19～0.7）在0.01水平下显著正相关，与S（相关范围0.06～0.63）在0.05水平下显著正相关，与K、Cl、K/Cl以及O相关性均不显著。

图2 烟草THR与其主要元素间散布矩阵图Fig. 2 Scatter matrix diagrams of THR with primary elements

微燃烧量热仪所测燃烧热是建立在氧消耗原理之上的，即样品燃烧每消耗1g氧气，释放出13.1±0.7 KJ的热量。在具体燃烧实验时，烟草热解释放出的各种产物，如碳氢化合物、CO、羰基化合物、生物碱以及有机硫化合物等，进入燃烧室后与氧气发生反应，生成深度氧化物，如CO2，H2O，NOx，SO2等，同时释放氧化反应热，因此，烤烟中C、H、N和S含量对总燃烧热释放呈正贡献是很易理解的。这似乎与传统认识有差异，即N和S含量对烟草燃烧有负面效应[21-22]。从阻燃学角度来说[23]，硫元素可以捕获自由基从而延缓或抑制燃烧，N元素可以通过自身形成的氮氧化物物对自由基的捕获来影响燃烧。但这些只是中间阶段，它们最终还会被氧化成深度氧化物。

另外，K和Cl与烟草燃烧性密切相关，一般，K可促进烟草燃烧，Cl则对烟草燃烧产生不利影响，甚至导致卷烟自熄，但K、Cl以及K/Cl却与总燃烧热释放均无显著相关性，似乎与传统认识相矛盾。我们知道，烤烟中K一般以有机钾盐和无机钾盐的形式存在，但无论是哪一种钾盐，其化合价均是+1价，即便与氧气结合，也不会产生价态变化，因此不会使总燃烧热发生变化；而烤烟中氯元素一般以Cl-1形式存在，由于周期表中元素对角线法则，氯元素和氧元素的性质有类似之处，在卷烟燃烧状态下，Cl-1也难以被氧气氧化成高价态，故对总燃烧热也无显著影响。因此，K以及Cl对烟草燃烧热的影响应具体体现在对燃烧热解机理的改变上，即对热释放过程产生影响。

3 结论

①烤烟总燃烧热主要由三个部分组成，按照产生顺序依次为易挥发小分子挥发热解产物燃烧热、难挥发大分子热解产物燃烧热以及焦炭热解产物燃烧热；②烤烟七种元素中C和O含量最高，然后依次为H、N、K、S和Cl。其中，不同烤烟烟叶中Cl含量差异较大，C、H和O含量则差异较低；③烤烟THR与C、H和N含量呈极显著正相关，与S呈显著正相关，与O、K、Cl、K/Cl无显著相关性。

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Correlation between combustion heat and major elements in fl ue-cured tobacco leaves

ZHOU Shun, NING Min，WANG Xiaofeng, GUO Dongfeng, XU Yingbo, HE Qing, ZHANG Yaping, SHE Shike, TIAN Zhenfeng
Research and Development Centre, China Tobacco Anhui Industrial Co., Ltd., Hefei 230088, China

In order to evaluate effect of major elements in fl ue-cured tobacco on combustion properties, correlation analysis between total combustion heat (THR) and content of major elements (carbon, hydrogen, oxygen, nitrogen, potassium, sulfur and chlorine) in seven tobacco varieties of three different stalk positions from 17 growing areas in China was carried out using R statistical approach. It was found that: (1) Combustion heat release of fl ue-cured tobacco had three sequential stages, namely combustion of volatile small molecules and their degraded products, combustion of decomposed products from nonvolatile polymers and combustion of products from charoxidation; (2) Elements in fl ue-cured tobacco were arranged according to their content in the order of C ＞ O＞＞H ＞ N ＞ K ＞ S ＞ Cl, and there were signi fi cant differences in Cl content of various fl ue-cured tobacco samples, while less differences in content of C, H and O; (3)There was highly signi fi cant positive correlation between THR and C, H and N, and a signi fi cant positive correlation between THR and S,and no correlation between THR and O, K, Cl and K/Cl,

combustion heat release; elements; fl ue-cured tobacco; R statistical approach

:ZHOU Shun, NING Min，WANG Xiaofeng, et al. Correlation between combustion heat and major elements in flue-cured tobacco leaves [J]. Acta Tabacaria Sinica, 2015, 21 (2)

周顺，宁敏，王孝峰,等. 烤烟烟叶主要元素与燃烧热关系研究[J]. 中国烟草学报，2015，21（2）

安徽中烟工业有限责任公司科技项目“阴燃特性分析新技术及其标准化预研研究”（2014103）和“卷烟热解阴燃行为动力学及数值模拟应用研究”（20121026）

周顺（1982—）,博士,副研究员，主要从事新型烟草制品和烟草燃烧化学研究，Email: zhous@mail.ustc.edu.cn

王孝峰（1984—）,博士,工程师，主要从事烟草燃烧化学和低温卷烟研究，Email: xfw1984@mail.ustc.edu.cn

2014-08-29