基于TG-FTIR-MS 技术的烟叶角质层热解行为研究

doi:10.15933/j.cnki.1004-3268.2024.02.019

河南农业科学 ›› 2024, Vol. 53 ›› Issue (2): 171-180.DOI: 10.15933/j.cnki.1004-3268.2024.02.019

• 农业信息与工程·农产品加工 • 上一篇

基于TG-FTIR-MS 技术的烟叶角质层热解行为研究

李亚玲¹，马戎²，丁为³，冯文宁³，徐波¹，梁淼⁴，刘玉斌²，刘伟³，王兵¹，乔学义¹

（1.中国烟草总公司郑州烟草研究院，河南郑州 450000；2.河北中烟工业有限责任公司，河北石家庄 050000；3.四川中烟工业有限责任公司，四川成都 610000；4.郑州轻工业大学食品与生物工程学院，河南郑州 450000）

收稿日期:2023-09-18 出版日期:2024-02-15 发布日期:2024-03-20
通讯作者: 王兵（1965-），男，河南安阳人，研究员，硕士，主要从事烟草加工工艺研究。E-mail：wangb@ztri.com.cn 乔学义（1981-），男，山西临汾人，副研究员，硕士，主要从事烟草加工工艺研究。E-mail：qiaoxueyiztri@126.com
作者简介:李亚玲（1998-），女，湖南常德人，在读硕士研究生，研究方向：烟草工学。E-mail：liyaling21@mails.ucas.ac.cn
基金资助:
中国烟草总公司重点科技项目（110202102004，110202103007，110202103002）

Study on Pyrolysis Behavior of Tobacco Cuticle Based on TG⁃FTIR⁃MS

LI Yaling¹，MA Rong²，DING Wei³，FENG Wenning³，XU Bo¹，LIANG Miao⁴，LIU Yubin²，LIU Wei³，WANG Bing¹，QIAO Xueyi¹

（1.Zhengzhou Tobacco Research Institute of CNTC，Zhengzhou 450000，China；2.China Tobacco Hebei Industrial Co.，
Ltd.，Shijiazhuang 050000，China；3.China Tobacco Sichuan Industrial Co.，Ltd.，Chengdu 610000，China；4.College of Food and Bioengineering，Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou 450000，China）

Received:2023-09-18 Published:2024-02-15 Online:2024-03-20

摘要/Abstract

摘要： 为探究烟叶角质层热解行为及其在热解过程中气相产物释放规律，采用酶法、化学方法分离烟叶角质层，通过扫描电子显微镜和傅里叶红外光谱仪对其进行表征分析，利用热重-傅里叶红外光谱-质谱（TG-FTIR-MS）联用技术检测角质层的热释放行为和热解产物。结果表明，采用酶法和化学方法均可分离烟叶角质层，烟叶角质层的热解可分为失水（50~135℃）、快速脱挥发分（135~595℃）和碳化（595~900℃）3个阶段，其热解产生的气体成分主要包括CH4和CO2，气态产物多集中在300~600℃温度区间，其中以羧酸类化合物和甲苯居多。苯系物在250 ℃左右开始产生，在500 ~ 540 ℃温度区间内达到峰值，而尼古丁的生成量则相对较少。

关键词: 烟叶, 角质层, 分离, TG-FTIR-MS联用, 热解, 气态产物

Abstract: In order to study the pyrolysis behavior of tobacco cuticle and the release law of gaseous products during pyrolysis，the cuticle of tobacco leaves was separated by enzyme and chemical methods，and then were characterized by scanning electron microscope and Fourier infrared spectroscopy.The thermal release behavior and pyrolysis products of the cuticle were detected using TG⁃FTIR⁃MS coupling technology.The results showed that the cuticle could be separated by enzymatic and chemical methods.The pyrolysis of the cuticle could be divided into three stages：dehydration(50—135℃),rapid devolatilization(135—595℃)and carbonization(595—900℃).The main gas components produced by pyrolysis included CH4 and CO₂,and the gas products were mainly concentrated in the temperature range of 300—600℃,among which the carboxylic acids and toluene were the most. With the increase of temperature，the production of benzene series began at about 250℃ and reached the peak at 500—540℃,while the production of nicotine was relatively smaller.

Key words: Tobacco leaf, Cuticle, Separation, TG?FTIR?MS, Pyrolysis, Gaseous products

中图分类号:

TS41
S572

李亚玲, 马戎, 丁为, 冯文宁, 徐波, 梁淼, 刘玉斌, 刘伟, 王兵, 乔学义. 基于TG-FTIR-MS 技术的烟叶角质层热解行为研究[J]. 河南农业科学, 2024, 53(2): 171-180.

LI Yaling, MA Rong, DING Wei, FENG Wenning, XU Bo, LIANG Miao, LIU Yubin, LIU Wei, WANG Bing, QIAO Xueyi. Study on Pyrolysis Behavior of Tobacco Cuticle Based on TG⁃FTIR⁃MS[J]. Journal of Henan Agricultural Sciences, 2024, 53(2): 171-180.

参考文献

［1］ZHANG P，WANG R L，YANG X P，et al.The R2R3⁃MYB transcription factor AtMYB49 modulates salt tolerance in Arabidopsis by modulating the cuticle formation and antioxidant defence［J］.Plant，Cell &Environment，2020，43（8）：1925⁃1943.

［2］李莉，赵米贤，王建华，等.植物表皮蜡质合成、运输及调控机制研究进展［J］.中国农业大学学报，2023，28（7）：1⁃19.
LI L，ZHAO M X，WANG J H，et al.Research progress on the synthesis，transportation and regulation mechanism of plant cuticular wax［J］.Journal of China Agricultural University，2023，28（7）：1⁃19.

［3］YEATS T H，ROSE J K C.The formation and function of plant cuticles［J］.Plant Physiology，2013，163（1）：5⁃20. ［4］LEE S B，SUH M C. Regulatory mechanisms underlying cuticular wax biosynthesis［J］.Journal of Experimental Botany，2022，73（9）：2799⁃2816.

［5］RAHMAN T，SHAO M，PAHARI S，et al.Dissecting the roles of cuticular wax in plant resistance to shoot dehydration and low⁃temperature stress in Arabidopsis［J］.International Journal of Molecular Sciences，2021，22（4）：1554.

［6］丁杰，耿杰，段艳婷，等.欧李砧木对桃叶片解剖结构和抗旱能力的影响［J］.河南农业科学，2019，48（8）：117⁃121.
DING J，GENG J，DUAN Y T，et al.Effects of Cerasus humilis rootstock on the anatomical structure and drought
resistance of peach leaves［J］. Journal of Henan Agricultural Sciences，2019，48（8）：117⁃121.

［7］韦皓.基于机器学习的烟草热解模型与生物质-煤混合热解模型［D］.杭州：浙江大学，2023.
WEI H.Tobacco pyrolysis model based on machine learning and biomass⁃coal mixed pyrolysis model［D］.Hangzhou：Zhejiang University，2023.

［8］王迅键. 烟草薄片保润研究［D］.无锡：江南大学，2017.
WANG X J.Study on moisturizing of tobacco sheet［D］.Wuxi：Jiangnan University，2017.

［9］殷全玉，王霞，杨铁钊，等.叶面分泌物和中性香气物质在不同烤烟品种（系）和地区间的变化及其与常规化学成分的关系［J］.中国烟草学报，2010，16（3）：17⁃23.
YIN Q Y，WANG X，YANG T Z，et al.Changes of leaf exudate and neutral aroma components in different flue⁃cured tobacco varieties（lines）and regions and their relationship with conventional chemical components［J］.Acta Tabacaria Sinica，2010，16（3）：17⁃23.

［10］DAI Y J，XU J，ZHU L J，et al.Mechanism study on the effect of glycerol addition on tobacco pyrolysis［J］.Journal of Analytical and Applied Pyrolysis，2021，157：105183.

［11］ZHU L J，XU J，DAI Y J，et al.Mechanism study of tobacco pyrolysis based on the analysis of characteristic products and in⁃situ identification of functional groups evolution on pyrolytic char［J］.Journal of Analytical and Applied Pyrolysis，2022，167：105681.

［12］MUZYKA R，CHRUBASIK M，DUDZIAK M，et al.Pyrolysis of tobacco waste：A comparative study between Py⁃GC/MS and fixed⁃bed reactors［J］.Journal of Analytical and Applied Pyrolysis，2022，167：105702.

［13］张贾宝，王轶群，梁淼，等.加热卷烟烟叶原料低温热解特性及其与感官品质相关性分析［J］.轻工学报，2023，38（3）：94⁃101.
ZHANG J B，WANG Y Q，LIANG M，et al.Lowtemperature pyrolysis characteristics of heated tobacco raw materials and its correlation with sensory quality［J］.Journal of Light Industry，2023，38（3）：94⁃101.

［14］WEI H，XING J K，LUO K，et al. Predicting tobacco pyrolysis based on chemical constituents and heating
conditions using machine learning approaches［J］.Fuel，2023，335：126895.

［15］张译丹，岳诚，李军营，等.烟叶烘烤过程中表皮微形态特征的扫描电镜观察初报［J］.云南农业大学学报，2020，35（1）：88⁃93，171.
ZHANG Y D，YUE C，LI J Y，et al.Scanning electron microscopic observation of epidermal micromorphological characteristics of tobacco leaves during curing［J］.Journal of Yunnan Agricultural University，2020，35（1）：88⁃93，171.

［16］徐静. 烟草叶片表皮蜡质分析及组织培养环境对烟草叶片蜡质层与保水性的影响［D］.杨凌：西北农林科技大学，2014.
XU J.Analysis of tobacco leaf epidermal wax and the effect of tissue culture environment on the wax layer and water retention of tobacco leaves［D］.Yangling：Northwest A&F University，2014.

［17］CHEFETZ B.Sorption of phenanthrene and atrazine by plant cuticular fractions［J］.Environment Toxicology Chemistry，2003，22：2492⁃2498.

［18］HUJON F，SARAL A M.Chemical investigation of epicuticular wax obtained from Euphorbia milii leaves［J］.SN Applied Sciences，2022，4（4）：122.

［19］CHEN B L，LI Y，GUO Y T，et al.Role of the extractable lipids and polymeric lipids in sorption of organic contaminants onto plant cuticles［J］.Environment Science Technology，2008， 42：1517⁃1523.

［20］DALUZ B R.Attenuated total reflectance spectroscopy of plant leaves：A tool for ecological and botanical
studies［J］.New phytol，2006，172：305⁃318.

［21］DA SILVA A M F，FOLI L，BOUDENNE J L，et al.Photodegradation of typical Mediterranean plant litters：Variations with quercus species and the leaf⁃surface exposed［J］.European Journal of Forest Research，2023，142（2）：275⁃286. ［22］程启明，黄青，刘英杰，等.花生壳与花生壳生物炭对镉离子吸附性能研究［J］.农业环境科学学报，2014，33（10）：2022⁃2029.
CHENG Q M，HUANG Q，LIU Y J，et al.Study on the adsorption properties of peanut shell and peanut shell
biochar on cadmium ions［J］.Journal of Agro⁃Environmental Science， 2014， 33 （10）：2022⁃2029.

［23］王安然，蔡斌，付丽丽，等.典型雪茄烟叶热解/燃烧特性及动力学分析［J］.烟草科技，2021，54（6）：75⁃82.
WANG A R，CAI B，FU L L，et al. Pyrolysis/combustion characteristics and kinetic analysis of typical cigar tobacco leaves［J］.Tobacco Science &Technology，2021，54（6）：75⁃82.

［24］JOHNSON E J，DOROT O，LIU J，et al.Spectroscopic characterization of aliphatic moieties in four plant cuticles［J］.Communications in Soil Science and Plant Analysis，2007，38（17/18）：2461⁃2478.

［25］廖阳.植物叶面对Sr/Cs的吸收特征及阻控技术研究［D］.绵阳：西南科技大学，2016.
LIAO Y.Study on the absorption characteristics of Sr/Cs in plant leaves and its resistance control technology［D］.Mianyang：Southwest University of Science and Technology，2016.

［26］查燕，张银龙.常见绿化植物角质层对PAHs的吸附作用［J］.长江流域资源与环境，2020，29（1）：243⁃252.
ZHA Y，ZHANG Y L.The adsorption of PAHs by the stratum corneum of common green plants［J］.Resources and Environment of the Yangtze River Basin，2020，29（1）：243⁃252.

［27］肖磊.胡杨叶片表皮角质膜与抗旱性关系的研究［D］.北京：中央民族大学，2016.
XIAO L.A study on the relationship between the epidermal keratin membrane and drought resistance of Populus euphratica leaves［D］.Beijing：Central University for Nationalities，2016.

［28］郭恒，王乐，钱建财，等.宏量热重分析法在辨识烟草热解特性差异度中的应用［J］.烟草科技，2022，55 （4）：58⁃69.
GUO H，WANG L，QIAN J C，et al.Application of macro thermal gravimetric analysis in identifying the differences in tobacco pyrolysis characteristics［J］.Tobacco Science & Technology，2022，55（4）：58⁃69.

［29］王卓智，张雷，熊立夫，等.烘焙预处理对稻壳燃料品质及热解特性的调控机制研究［J］.燃料化学学报，2023，51（3）：320⁃329.
WANG Z Z，ZHANG L，XIONG L F，et al.Study on the regulatory mechanism of baking pretreatment on the quality and pyrolysis characteristics of rice husk fuel［J］.Journal of Fuel Chemistry and Technology，2023，51（3）：320⁃329. ［30］CIOLKOSZ D，WALLACE R.A review of torrefaction for bioenergy feedstock production［J］.Biofuel Bioprod Biorefin，2011，5（3）：317⁃329.

［31］孙洋，景淼，于倩倩，等.TG⁃FTIR⁃MS联用技术对沼渣热解特性的分析［J/OL］.农业工程学报：1⁃8［2023⁃08⁃01］. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.2047.s.20230712.1551.058.html.
SUN Y，JING M，YU Q Q，et al.Analysis of pyrolysis characteristics of biogas residue by TG⁃FTIR⁃MS［J/OL］.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering：1⁃8［2023⁃08⁃01］.http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.2047.s.20230712.1551.058.html.

［32］ZHAO J，WANG，X W，HU J，et al.Thermal degradation of softwood lignin and hardwood lignin by TG⁃FTIR and Py⁃GC/MS［J］.Polymer Degradation and Stability，2014，108：133⁃138.

［33］马中青，王浚浩，黄明，等.木质素种类和催化剂添加量对热解产物的影响［J］.农业工程学报，2020，36 （1）：274⁃282.
MA Z Q，WANG J H，HUANG M，et al.Effect of lignin type and catalyst amount on pyrolysis products［J］.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2020，36（1）：274⁃282.

［34］MA Z Q，WANG J H，ZHOU H Z，et al.Relationship of thermal degradation behavior and chemical stuture
of lignin isolated from palm kemel shell under different process severities［J］.Fuel Processing Technology，2018，181：142⁃156.
［35］何逸婷，Marios Drosos，孙嘉，等.不同原料、热解温度对生物质炭化学性质及结构组成的影响［J］.南京农业大学学报，2023，46（4）：718⁃726.
HE Y T，DROSOS M，SUN J，et al.Effects of different raw materials and pyrolysis temperature on the chemical property and structure of biomass carbon［J］.Journal of Nanjing Agricultural University，2023，46（4）：718⁃726.
［36］李晓亮.烟草热解产物中挥发性有机物与自由基成分形成机理研究［D］.北京：北京化工大学，2013.
LI X L.Formation mechanism of volatile organic compound and free radical components in tobacco pyrolysis products［D］.Beijing：Beijing University of Chemical Technology，2013.
［37］李晓亮，郑赛晶，王志华，等.烟草及其主要组分的热分析质谱研究［J］.化学研究与应用，2013，25（5）：670⁃674.
LI X L，ZHENG S J，WANG Z H，et al.Studies on tobacco and its main components by thermal analysis mass spectrometry［J］.Chemical Research and Application，2013，25（5）：670⁃674.
［38］王健，葛少林，谢映松，等.光电离质谱技术在线监测不同部位烟草裂解产物［J］.质谱学报，2023，44（1）：78⁃86.
WANG J，GE S L，XIE Y S，et al.Online monitoring of tobacco cracking products in different parts using photoionization mass spectrometry［J］.Journal of Chinese Mass Spectrometry Society，2023，44（1）：78⁃86.
［39］张泽，赵洪君，孟洁，等.生物质的热解及生物油提质的研究进展［J］.环境工程，2021，39（3）：161⁃171.
ZHANG Z，ZHAO H J，MENG J，et al.Research progress on biomass pyrolysis and bio oil upgrading［J］.Environmental Engineering，2021，39（3）：161⁃171.
［40］田霖，胡建杭，刘慧利.基于热重-红外联用技术分析油酸的热解特性及动力学分析［J］.化工进展，2020，39（S2）：152⁃161.
TIAN L，HU J H，LIU H L.Analysis of the pyrolysis characteristics and kinetic analysis of oleic acid based on thermogravimetric infrared spectroscopy［J］.Chemical Progress，2020，39（S2）：152⁃161.
［41］高丽慧，胡明，柴娜，等.纤维素与褐煤共热解协同规律研究［J/OL］.煤炭学报：1⁃9［2023⁃09⁃13］.https：//doi.org/10.13225/j.cnki.jccs.BE22.1515.
GAO L H，HU M，CHAI N，et al.Study on the synergistic law of co pyrolysis of cellulose and lignite［J/OL］.Journal of Coal Science：1⁃9［2023⁃09⁃13］https：//doi.org/10.13225/j.cnki.jccs.BE22.1515.
［42］李文正，宋中邦，高玉龙，等.烟碱合成分子调控研究进展［J］.安徽农业科学，2013，41（14）：6149⁃6151.
LI W Z，SONG Z B，GAO Y L，et al.Progress in molecular regulation of nicotine synthesis［J］.Anhui Agricultural Science，2013，41（14）：6149⁃6151.

[1]	宋绍森, 杨杰, 段旺军, 陈思昂, 王卫民, 张力, 许嘉阳, 韩丹, 许自成, 贾玮. 海拔高度对烟叶生长代谢及烤后品质的影响[J]. 河南农业科学, 2024, 53(3): 53-67.
[2]	李粉粉, 王爱霞, 赵晨, 白涛, 毛岚, 张豹林, 李生栋, 宋朝鹏, 王涛. 基于高光谱成像技术的鲜烟叶叶位识别方法[J]. 河南农业科学, 2024, 53(2): 144-151.
[3]	李晶晶, 荣仕宾, 秦艳青, 周骏, 曾代龙, 钟秋, 赵园园, 刘德水, 张瑞娜, 史宏志. 雪茄茄芯和茄衣烟叶不同区段化学成分和品质差异性分析[J]. 河南农业科学, 2024, 53(1): 62-69.
[4]	潘勇, 吴巧茵, 李林林, 施友志, 谭再钰, 张娟, 王剑. 产多酚氧化酶菌株在改善雪茄烟叶品质中的应用研究[J]. 河南农业科学, 2023, 52(9): 173-180.
[5]	胡志忠, 冯衍闯, 宋凌勇, 胡超, 务文涛, 吕阳波, 梁淼, 张峻松. 加热卷烟调香常用12 种醛酮类香料的熔融及热解特性研究[J]. 河南农业科学, 2023, 52(7): 172-180.
[6]	陈家鼎, 何蓉, 肖庆礼, 袁明, 谭奇忠, 彭奎, 魏硕, 李生春. 温度和含水率对烟叶热物理特性的影响及其预测模型建立[J]. 河南农业科学, 2023, 52(6): 172-180.
[7]	谭攀, 王士超, 谢锦, 蒋高乾, 韩立朴. 暗管排水与秋葵种植协同改良滨海盐土的施肥效应研究[J]. 河南农业科学, 2023, 52(5): 99-109.
[8]	张俊杰, 王京琪, 刘芹, 刘晴, 崔筱, 张玉亭, 吴杰, 孔维丽. 发酵料中促平菇生长菌株的分离与鉴定[J]. 河南农业科学, 2023, 52(5): 142-149.
[9]	张晶云, 荣仕宾, 秦艳青, 吴疆, 王俊, 李晶晶, 冯雨晴, 赵园园, 钟秋, 史宏志. 采收方式对调制后烟叶叶片和主脉TSNAs 及前体物含量的影响[J]. 河南农业科学, 2023, 52(2): 57-65.
[10]	赵文影, 张云静, 白小飞, 孙玉洁, 郭玲花, 黄柏成, 田克恭. 猪细小病毒BJ2 株的分离鉴定及全基因组序列分析[J]. 河南农业科学, 2023, 52(2): 136-144.
[11]	张卫正, 陈赛越扬, 王艳玲, 帖金鑫, 丁佳, 李萌, 李灿林, 苏晓珂, 甘勇. 基于YOLOv3 改进算法的烟叶原料烟草甲识别方法研究[J]. 河南农业科学, 2023, 52(11): 157-166.
[12]	杨金初, 童治军, 李萌, 赵旭, 徐永明, 冯颖杰, 杨宗灿, 曲鹏, 李悦, 孙九喆, 张轲. 基于SNP 标记的4 个品种复烤烟叶鉴别研究[J]. 河南农业科学, 2023, 52(11): 174-180.
[13]	李思军, 郑宏斌, 毕一鸣, 江智敏, 田雨农, 郝贤伟, 章程, 侯建林, 吴文信, 朱林, 邓小华. 一次性采收中部6 片烟叶的田间成熟特征及烤后质量研究[J]. 河南农业科学, 2023, 52(10): 30-39.
[14]	王东旭, 武云杰, 曾超, 赵明阳, 余海涛, 周军, 薛子钟, 刘流, 叶协锋, 张锦韬. 土壤质地和氯含量对烤烟叶片区位化学成分的影响[J]. 河南农业科学, 2022, 51(9): 35-45.
[15]	战磊, 王寒, 关罗浩, 张蒙蒙, 梁俊阳, 张晓瑞, 付博, 王玉胜. 用于烟叶提质的苏云金芽孢杆菌SY-1产淀粉酶条件的优化研究[J]. 河南农业科学, 2022, 51(9): 159-170.

基于TG-FTIR-MS 技术的烟叶角质层热解行为研究

Study on Pyrolysis Behavior of Tobacco Cuticle Based on TG⁃FTIR⁃MS

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics