基于实时升温红外光谱研究烟草热解化学结构变化研究

梁海玲

摘   要：采用实时升温红外光谱仪分析烟草热解化学结构的变化特性，通过在线分析烤烟、白肋烟、香料烟与“三丝”的化学结构，了解其中的变化规律。基于此，文章以烟草热解化学结构变化作为研究对象，通过对烟草热解行为分析，了解室温环境下烟草红外光谱情况，明确烟草化學结构随温度的变化，探究实验条件对结构变化的影响。

关键词：实时升温检测;红外光谱;烟草热解;化学结构

不管是传统卷烟，还是低温卷烟，烟草的品质都要通过热解来体现，分析烟草在加热状态下的化学变化规律，有利于实现卷烟生产技术的创新。烟草热解时会释放烟气，产生残留物，对残留物进行化学研究能够解决烟草燃烧时的掉灰问题。

1    材料与方法

1.1  材料与仪器

选取贵州省镇远县烤烟、贵州松桃县白肋烟、贵烟印第安火种香烟、膨胀烟丝、膨胀梗丝、再造烟叶为本次实验原材料。其中印第安火种香烟原料出自贵州北纬27°原生态小产区外加美国烟草庄园，烟草吸食燃烧时带有调香味。应用进口STA8000同步热分析仪、Magna750型傅里叶变换红外光谱仪、Vario EL型元素分析系统、Fz-02粉碎机为本次实验器材。

1.2  实验方法

样品前处理。将样品在40 ℃的烘箱内烘干4 h，粉碎处理后果150 μm筛，将烟草粉末在22 ℃与60%左右的温湿度条件下平衡放置8 h。使用元素分析系统检测样品中的碳氢氧氮元素质量分数。对样品展开同步热分析测定，称量15 mg的样品，将坩埚放在同步分析仪样品室内，以20 mL/min的空气气氛进行测量，从30 ℃开始，平均升温20 ℃/min，直到温度升高到900 ℃。应用实时红外光谱仪器进行测定，使用玛瑙研钵将溴化钾磨成粉末状态，在其中加入少量成分的烟草粉末，充分研磨后让粉末混合均匀两种，使用压片机将混合粉末压成溴化钾晶片，晶片内带有一定含量的烟草粉末。把晶片放在加热箱内，将加热箱放在红外光谱仪腔内，以20 ℃/min的速度升温到580 ℃。随后，在不同温度状态下测量烟草红外光谱。设定空气中10%氧气、氮气流量为0.5 L/min，设定温度，稳定后将0.2 g的样品粉末放在石英舟中，推入管式炉进行热解处理。热解后冷却并收集样品，展开红外光谱测试，将其与抽吸烟灰进行对比，将烤烟制作为卷烟，抽吸之后采集烟灰，再进行红外光谱分析研究[1]。

2    结果与讨论

2.1  烟草热解行为分析

烟草样品质量损失主要在150～400 ℃，400～570 ℃区间范围内，但两个阶段热释放量完全相反。前者的氧化释热焓值最高只有﹣0.704 kJ/g，而在400～570 ℃状态下烟草的氧化释热焓值却有﹣5.524 kJ/g。烟草热解主要有吸附水蒸发阶段、易挥发成分溢出与降解阶段、难挥发成分降解阶段、焦炭降解阶段和残渣降解阶段。烟草中小分子酸、酮、酯、烟碱等成分容易挥发，淀粉、半纤维素、果胶、蛋白质等成分难以挥发。低温状态下，烟草含氧量高，为烟草热解的产物带来氧源，这时烟草氧化放热量比较低。高温状态下，烟草含氧量较低，氧化降解耗氧量增加。

2.2  烟草化学结构随温度的变化

2.2.1  室温下烟草红外光谱各峰归属

烟草中含量最多的是碳水化合物、含氮化合物、有机酸类、多酚类以及醇类等有机成分物质。烤烟中C元素质量分数最大，能达到43.64%;膨胀烟丝中H元素含量最多，有6.07%;再造烟叶中的O元素质量分数最大，为45.92%;白肋烟中N元素质量分数最大，为3.62%。根据各个烟草样品RTR-IR光谱图、烤烟红外吸收峰归属情况分析得知，3 700～3 100 cm-1宽强峰源于含碳水化合物、酚类和醇类的O-H伸缩振动与蛋白质、氨基酸的N-H伸缩振动。3 000～2 780 cm-1吸收峰源于化学成分C-H伸缩振动的叠加。1 800～1 650 cm-1肩峰源于烟草中果胶羧基、酯类等C=O双键伸缩振动叠加。室温条件下，香料烟、“三丝”红外光谱与烤烟相似，白肋烟红外光谱在1 382 cm-1时存在独有特征吸收峰，可将其归纳为硝酸盐N=O键不对称伸缩振动[2]。

2.2.2  烟草红外光谱随温度变化

贵烟印第安火种香烟、膨胀烟丝实时升温红外光谱和烤烟的变化趋势相近，白肋烟、膨胀梗丝、再造烟叶的实时升温红外光谱和烤烟的变化趋势差异明显，这3种烟草在红外谱图中有1 382 cm-1的吸收峰。白肋烟升温到500 ℃时消失该情况，说明N=O化合物此时会被分解完毕。膨胀梗丝与再造烟叶氮元素含量较低，N=O化合物无法在500 ℃时完全分解。

2.3  实验条件对烟草热解化学结构变化的影响

当温度为800 ℃、氧气质量分数为10%时，将烤烟烟末热解30 s，1 min，2 min，4 min。延长时间与升高温度都能够降低烤烟红外特征吸收峰强度，经红外光谱图对比研究，得知烤烟热解后残留物红外光谱变化明显，原有的红外吸收峰强度大范围降低，新的吸收峰出现。800 ℃条件下的烤烟空气氛围中热解4 min，残留物红外光谱和抽吸状态下的烤烟比较相近。实时升温红外测试中的红外光谱虽然也有碳酸盐红外特征吸收峰，但是强度不大，说明580 ℃的烤烟热解残留物中初步生成了无机盐，卷烟抽吸、800 ℃热解4 min后才能有大量无机盐生成并转化。

3    结语

总而言之，无论是烤烟、白肋烟，还是三丝烟，不同烟草样品中的相同官能团强度会随着温度的变化出现差异。同一种烟草样品的不同官能团强度会随着温度的变化出现明显差异，150～400 ℃失重区域内，烟草中的O-H和C-O基本消失，C=O少量残留;400～580 ℃失重区域内C-H与芳香成分产生氧化反应，同时释放热量，初步生成无机盐。600 ℃以上无机盐大量生产且出现转化反应，同时吸收热量，该实验研究结果对低温卷烟烟芯材料的设计和传统卷烟掉灰缺陷的解决有着重要的参考价值。

[参考文献]

[1]詹望成，郭杨龙，周国俊.烟草高温热解成分的吸附与再释放[J].华东理工大学学报（自然科学版），2018（3）：375-381.

[2]谢映松，陈刚，王成名.基于实时升温红外光谱研究烟草热解化学结构变化[J].烟草科技，2016（10）：51-59.