几种烟草薄片的性能及热裂解产物分析

2021-03-09贾伟萍刘达岸刘文婷安俊健

中国造纸 2021年1期

贾伟萍刘达岸，2 刘文婷王波王昊安俊健王磊，*

（1.湖北中烟工业有限责任公司，湖北武汉，430040；2.重组烟叶应用技术研究湖北省重点实验室，湖北武汉，430040；3.湖北工业大学绿色轻工材料湖北省重点实验室，湖北武汉，430068）

烟草薄片（又称再造烟叶）是利用卷烟生产过程中废弃的烟末和烟梗等烟草原料，外加植物纤维、烟草提取液、成形助剂和填料等制成的与天然烟叶成分、性状相似的薄片[1-2]。烟草薄片的开发和生产不仅能够减少烟草原料的浪费，充分利用烟草资源以降低生产成本；还能有效降低卷烟燃烧过程中焦油等有害成分的产生量，从而提高卷烟在抽吸时的安全性。同时，在卷烟中加入烟草薄片后，能使卷烟中的总糖含量、还原糖含量、总氮含量和烟碱含量等不同程度地下降，因此可以通过调控烟草薄片成分调节卷烟的化学组分[3]。

烟草薄片的纤维形态及化学组分的表征有助于分析其对卷烟化学组分的影响；热失重特性可以从一定程度上反映高温对烟草薄片热裂解特性的影响[4-5]；热裂解特性对其在卷烟中的实际应用具有重要的理论指导意义[6-7]。20 世纪70 年代，热裂解仪与气相色谱/质谱联用技术就在烟草研究领域得到了广泛应用[8-9]，大量研究采用热裂解-气相色谱/质谱联用仪（Py-GC/MS）对烟草薄片的热裂解行为进行了表征，并对其热裂解产物进行了定性和半定量分析[10-11]，但未对热裂解产物中致香成分和有害成分进行筛选和分析。本研究选用了10 种典型的烟草薄片样品（9 种国产，1种进口），对其化学组分和热失重特性进行了表征，通过Py-GC/MS 对其热裂解特性进行了研究，并通过对热裂解产物分析，研究了其中的致香成分和有害成分，从而为烟草薄片的化学组分、热失重特性和热裂解特性对卷烟性能的影响及后续香精香料的添加技术提供了理论支持。

1 材料与方法

1.1 实验原料与仪器

原料：10 种烟草薄片样品，由湖北新业烟草薄片开发有限公司提供，如表1所示。

仪器：可控温高温炉（FO810，日本YAMATO公司）；冷冻干燥机（4.5 L，美国LABCONCO 公司）；鼓风式烘箱（DNG-9140A，上海精宏实验设备有限公司）；分析天平（ME204，瑞士Mettler Toledo 公司）；振荡器（KS260，德国IKA 公司）；连续流动分析仪（AA3，德国Seal Analytical 公司）；植物粉碎机（A11，德国IKA 公司）；消化器（SH60A，济南海能仪器股份有限公司）；热重/差热综合热分析仪（6300，美国PerkinElmer 公司）；气相色谱/质谱联用仪（6890N/5975，美国Agilent 公司）；质量选择检测器（HP5971A，美国Agilent公司）；热裂解仪（5200，美国CDS公司）。

1.2 分析方法

1.2.1 化学组分测定

按照相应国家标准或烟草行业标准测定了烟草薄片的含水率（GB/T 462—2008）、热水抽出物含量（GB/T 2677.4—1993）、总糖和还原糖（YC/T 159—2019）、总植物碱（YC/T 160—2002）、总氮（YC/T 161—2002）和灰分（GB/T 742—2008）。

1.2.2 热失重性能分析

称取约20 mg 冷冻干燥后的烟草薄片样品，置于氧化铝坩埚中进行热失重分析，载气为空气，参比物为氧化铝，流速40 mL/min，升温速率10℃/min，升温至900℃，实验过程可同时得到样品的TG 曲线、DTG曲线和生物炭收率（R）。

1.2.3 Py-GC/MS分析

称取0.1 mg 样品放入石英管中，初始温度50℃，升温速率10℃/ms，升温至900℃后保持25 s；选取空气为裂解产物载气，流速70 mL/min；吸附温度50℃，脱附温度280℃，脱附时间2 min；传输线280℃，炉温270℃；进样口温度为300℃，色谱柱型号HR-35MS （30 m×250 μm×0.25 μm）。升温程序如下：40℃下保持1 min，升温速率6.0℃/min，升温至290℃后保持10 min，分流比50∶1。质谱仪离子源EI，电子能量70 eV；接口温度230℃，扫描范围20～400 m/z，扫描速率500 Da/s，检索谱图库NIST-14。

采用峰面积归一化的方法定量分析和计算热裂解产物中每一组分在产物中的相对百分含量。

表1 烟草薄片样品Table 1 Samples of tobacco sheets

2 结果与讨论

2.1 烟草薄片化学组分

烟草薄片的热水抽出物含量、总糖含量、还原糖含量、总植物碱含量、总氮含量和灰分等化学组分如表2所示。

热水抽出物含量高的烟草薄片，其相应的可溶性组分含量也较高。从表2可以看出，广东烟草薄片和杭州烟草薄片的热水抽出物含量较高。烟草薄片中总糖含量和还原糖含量对抽吸时的感官评价指标（烟味、口感、雾化效果、杂气和刺激评价等）有积极作用；因此，总糖含量和还原糖含量越高，对烟草的抽吸品质越有利；实验结果表明，福建烟草薄片和湖北烟草薄片总糖含量较高，福建烟草薄片、湖北烟草薄片、许昌烟草薄片和杭州烟草薄片的还原糖含量较高，感官评价指标应较高。总植物碱含量越高，在抽吸时的理化性能越差；因此，总植物碱含量越低，其相应的抽吸品质越好；法国烟草薄片、广东烟草薄片、上海烟草薄片和云南烟草薄片a 的总植物碱含量较低，品质相对较好。烟草薄片中总氮含量越低，越有利于提升其品质；由表2可知，福建烟草薄片、江苏烟草薄片和杭州烟草薄片的总氮含量较低。烟草薄片中灰分主要来源于生产过程中加入的无机填料及烟草植物原料在燃烧后产生的无机成分，灰分含量越高表明填料加入量越高；由于填料为多孔物质具有吸附性，会减少烟草薄片抽吸时产生烟气的水分含量，从而对烟气品质产生一定不良影响；因此，灰分含量越低，烟草薄片质量越好；研究结果表明，许昌烟草薄片、云南烟草薄片a、云南烟草薄片b 和法国烟草薄片的灰分含量较低，因此其品质较高。

2.2 烟草薄片的热失重特性

本研究对烟草薄片进行了热失重特性分析，得到的TG曲线、DTG曲线和生物炭收率（R）如图1所示。

由图1 可知，不同烟草薄片的主要质量损失在200～500℃范围内。从图1(a)和1(b)中可以看出，不同烟草薄片的质量损失可分为以下几个阶段：第一阶段为室温至200℃，烟草薄片在此温度区间的质量损失较小，质量损失范围为6%～10%；这一阶段为烟草薄片样品残余水分的脱除阶段；第二阶段为200～420℃，在此温度区间内，烟草薄片的质量损失较为明显，其质量损失范围为48%～58%，这是热解的主要阶段之一；第三阶段为400～500℃，在此温度范围内，烟草薄片出现第2个重要的质量损失阶段，其质量损失范围为72%～86%；第四个阶段为大于500℃，在此温度区间内，烟草薄片的质量损失较小，且最终得到的烟草薄片生物炭收率（R）范围为8.52%～18.09%。从图1（c）和图1（d）也可以看出，在烟草薄片的质量损失过程中，有两处较大质量损失速率出现，对应温度范围分别为293～324℃和434～470℃，质量损失速率范围分别为2～7%/min和2～24%/min。

表2 烟草薄片的化学组分Table 2 Chemical components of tobacco sheets %

2.3 烟草薄片的热裂解特性分析

利用Py-GC/MS 定量分析了烟草薄片样品的热裂解特性，热裂解产物分析如表3 所示。从表3 可以看出，烟草薄片的热裂解产物包括酮类、醛类、酸类、酯类、糖类和烯类等化合物。通过对该部分的产物进行分析，将烟草薄片热裂解产物中的主要致香成分和有害成分进行了分析，结果如图2所示。

从表3 和图2 可以看出，烟草薄片的热裂解产物中的致香成分主要有4～5 种，占整个热裂解产物的3%～9%，其中福建烟草薄片、江苏烟草薄片、许昌烟草薄片和云南烟草薄片b的致香成分含量较低；云南烟草薄片a 和法国烟草薄片的致香成分含量较高，分别为8.02%和6.88%。

从表3 和图2 还可以看出，烟草薄片的有害成分主要有醋酸、甲苯和苯酚，其含量大小顺序为醋酸（5.3%～14.3%）＞甲苯（1.4%～4.9%）＞苯酚（0.8%～1.4%）。此外，福建烟草薄片、湖北烟草薄片、广东烟草薄片、江苏烟草薄片、上海烟草薄片、许昌烟草薄片和杭州烟草薄片热裂解产物中的有害成分还含有丙酮；云南烟草薄片a 和云南烟草薄片b 热裂解产物中的有害成分还含有甲苯酚。烟草薄片热裂解产物中均含有4～5 种有害成分，其有害成分总量占热裂解产物的14%～26%，其中，广东烟草薄片、上海烟草薄片、云南烟草薄片a 和云南烟草薄片b 的有害成分含量较低；湖北烟草薄片和杭州烟草薄片的有害成分含量较高。