加热状态下烟叶烟气的释放特征

刘 珊，唐培培，曾世通，崔 凯，宗永立，孙世豪，张建勋

中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州高新技术产业开发区枫杨街2号 450001

生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，它的热解行为可认为是其组分热解行为的综合表现［1］；生物质的热解行为不仅与生物质的种类和化学组成有关［1-3］，热解过程及产物还与热解温度密切相关［4-6］。烟草是一种复杂、特殊的生物质，由于其消费手段多采用燃烧方式，国内外的研究者一直致力于其燃烧状态下的热解行为及释放特征研究［7-15］，且主要是利用热重-红外联用及热解-气相色谱-质谱联用等手段模拟燃烧状态以研究烟草的高温热解规律，而鲜见加热状态下烟草的低温热解行为及其释放特征的相关研究报道。因此，采用精确控温的自制实验室加热装置，考察了不同加热温度下不同类型和部位烟叶烟气粒相物、烟碱、水分及焦油的释放量，旨在掌握加热状态下温度对烟草烟气释放特征的影响。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

云南B2F 和C3F 烤烟、湖北B2F 和C3F 白肋烟、云南B1和B2香料烟（均为2012年样品）。

正十七烷（标准品，美国Sigma-Aldrich公司）；烟碱（标准品，国家烟草质量监督检验中心提供）；无水乙醇、异丙醇（AR，天津市科密欧化学试剂有限公司）。

CP224S 型电子天平（感量0.000 1 g，德国Sartorius 公司）；实验室加热装置（自制）；JJD200型单孔道吸烟机（郑州嘉德机电科技有限公司）；6890 气相色谱仪（配备FID 和TCD 检测器，美国Agilent公司）。

1.2 方法

1.2.1 烟叶原料烟碱和含水率的测定

烟叶样品切丝后于温度（22±1）℃和相对湿度（60±2）%环境中平衡48 h。采用标准［16-17］方法测定烟丝的烟碱和含水率，烟丝游离烟碱的测定参考文献［18］的方法进行。

1.2.2 烟叶原料的加热

烟气捕集装置同文献［19］。称取0.2 g 平衡后的烟丝，装入热解管的填充腔，于不同温度进行加热。为避免烟丝在200 ℃以下加热时烟气释放过低，而在400 ℃以上发生燃烧，故加热温度选择200，250，300，350和400 ℃。

1.2.3 烟气粒相物释放量的测定［19］

以单孔道吸烟机作为气流推动，抽吸参数为:抽吸容量50 mL，抽吸持续时间2 s，抽吸间隔30 s，共抽吸10口。准确称量捕集前后剑桥滤片和热解管冷凝段的质量，分别计算捕集物和冷凝物的质量，二者的加和作为烟气粒相物的释放量。

1.2.4 烟气烟碱、水分和焦油释放量的测定

捕集结束后，迅速以含有标准物的异丙醇溶液分别萃取剑桥滤片上的捕集物及冲洗热解管冷凝段的冷凝物。采用标准方法［20-21］分别分析捕集物和冷凝物中的烟碱、水分及焦油量。各烟气成分的释放量以捕集物与冷凝物中的量之和表示。

2 结果和讨论

2.1 加热温度对烟气粒相物释放的影响

表1 为不同类型和部位烟叶在不同加热温度下烟气粒相物的释放量，6种烟叶样品烟气粒相物释放量总体上呈现随温度升高而增加的趋势，其中白肋烟粒相物释放量随温度的变化最为明显。当加热温度为200～250 ℃时，烤烟和香料烟粒相物释放量明显高于白肋烟。这是由于烟草在该温度范围主要发生小分子化合物的挥发及较大分子如糖的分解［6，23］，而烤烟和香料烟中糖类物质的量显著高于白肋烟［24］。随着加热温度继续升高，烟草中大分子难挥发性化合物如果胶、纤维素等化合物开始发生分解，烟草的热解过程逐渐减慢。因此，当加热温度逐渐提高时，不同种类烟叶烟气粒相物释放量的差别逐渐减小。

对于不同部位的烤烟，在200～300 ℃加热时，烟叶烟气粒相物释放量无明显差别；而在350～400 ℃加热时，上部烟粒相物释放量明显高于中部烟。对于不同部位的白肋烟，在200～350 ℃加热时，烟叶烟气粒相物释放量无明显差别；而在400 ℃加热时，上部烟粒相物释放量明显高于中部烟。相比较而言，在各个加热温度点，香料烟不同部位烟叶粒相物释放量差别较小。

表1 不同加热温度下烟叶烟气粒相物的释放量① （mg）

2.2 加热温度对烟气烟碱释放的影响

表2、表3所示分别为不同类型和部位烟叶的烟碱和游离烟碱量，以及在不同加热温度下烟气烟碱的释放量和释放比例。

不同烟叶样品的烟气烟碱释放量差别明显，分析可能的原因:一是不同类型和部位烟叶本身的烟碱含量不同；二是不同烟叶中游离态和结合态烟碱所占比例不同；三是不同结合态的烟碱即烟碱盐的热稳定性也有差别［24］。烟碱在烟草中以非质子化（游离态）及单质子或双质子化（结合态）3 种形式存在［25］。其中，大部分为结合态烟碱，即与草酸、苹果酸、柠檬酸和芳香酸等有机酸结合成相应的盐类［26］。在加热过程中，挥发性较弱的双质子化烟碱可发生去质子化反应生成中等挥发性的单质子化烟碱，单质子化烟碱可进一步发生去质子化生成易于挥发的游离态烟碱［24］。

随着加热温度的升高，不同烟叶样品的烟碱释放比例均呈增加的趋势。当加热温度为200～300 ℃时，各样品烟气烟碱释放比例均随温度的升高而显著增加。当温度高于300 ℃后，各样品的烟碱释放比例变化具有不同特征:烤烟B2F、白肋烟C3F的增幅减小；烤烟C3F、白肋烟B2F及香料烟B1无明显变化；香料烟B2仍保持较高的增幅。当加热温度达250 ℃或更高时，所有烟叶样品烟气烟碱的释放比例都显著高于烟叶本身的游离烟碱比例，说明加热过程中烟气中的烟碱不仅有游离烟碱的迁移，还包含结合态烟碱的热解释放。

表2 不同烟叶样品的烟碱量 （%）

表3 不同加热温度下烟叶烟气烟碱的释放量及释放比例

2.3 加热温度对烟气水分释放的影响

表4、表5所示分别为不同类型和部位烟叶的含水率，以及在不同加热温度下烟气水分的释放量。由表5可见，6种烟叶样品烟气水分释放量总体上呈现随温度升高而增加的趋势。在各个加热温度，烤烟和香料烟的烟气水分释放量都高于白肋烟。随着加热温度的升高，各样品烟气水分的释放比例（占烟叶水分的质量百分比）也不断增加。当加热温度为200 ℃时，烤烟B2F、香料烟B1和香料烟B2烟气水分释放比例都超过了90%；当加热温度为250 ℃时，烤烟B2F、香料烟B1和香料烟B2烟气水分释放比例都超过了110%；而当加热温度达到300 ℃或更高温度时，所有样品的烟气水分释放比例都高于甚至远高于100%。这说明烟气的水分不仅来自于烟叶自身水分的迁移，还有相当部分的水来自烟叶的热解过程。

表6 为不同加热温度下烟叶烟气粒相物的含水率。由表6可见，在各个加热温度，烟叶在加热状态下的烟气水分释放具有很高的水平，6种烟叶样品烟气粒相物的含水率都高于40%。

表4 不同烟叶样品的含水率 （%）

表5 不同加热温度下烟叶烟气水分的释放量

表6 不同加热温度下烟气粒相物的含水率 （%）

2.4 加热温度对烟气焦油释放的影响

表7 为不同类型和部位烟叶在不同加热温度下烟气焦油的释放量。由表7可见，6种烟叶样品烟气焦油释放量随加热温度的变化趋势与粒相物释放量的变化趋势相似，均表现为随温度升高而增加，其中，白肋烟焦油释放量随温度的变化最为明显。当加热温度为200～250 ℃时，烤烟和香料烟的焦油释放量高于白肋烟；加热温度为300～350 ℃时，不同烟叶样品焦油释放量之间的差异逐渐缩小；当加热温度为400 ℃时，除香料烟B2的释放量较低外，其他5 种烟叶样品的焦油释放量差别不明显。

表7 不同加热温度下烟叶烟气焦油的释放量 （mg）

3 结论

①在加热状态下，不同类型及部位烟叶的烟气释放具有相似的变化趋势，粒相物、烟碱、水分及焦油的释放量均随加热温度升高而逐渐增加；②当加热温度高于250 ℃，烟叶的烟气烟碱释放比例显著高于烟叶的游离烟碱比例，释放出的烟碱不仅来自烟叶自身游离烟碱的迁移，还包括烟叶中结合态烟碱的热解释放；③烟叶在加热状态下的烟气水分释放量具有很高的水平，释放出的水分不仅来自烟叶自身水分的迁移，还有相当部分来自烟叶的热解过程。

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