基于TG-FTIR-MS 技術(shù)的煙葉角質(zhì)層熱解行為研究

李亞玲，馬 戎，丁 為，馮文寧，徐 波，梁 淼，劉玉斌，劉 偉，王 兵，喬學(xué)義

（1.中國煙草總公司鄭州煙草研究院，河南 鄭州 450000；2.河北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050000；3.四川中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，四川 成都 610000；4.鄭州輕工業(yè)大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，河南 鄭州 450000）

植物角質(zhì)層是覆蓋在高等植物果實(shí)、莖、葉等組織器官表面的一層生物聚合物膜[1-2]，其具有較強(qiáng)的疏水性，并且耐酸堿、耐氧化，能夠保護(hù)植物免受外界微生物的侵染[3]，減少由于高溫干旱引起的水分散失，以及抵抗紫外線、風(fēng)力、機(jī)械作用等造成的傷害[4-6]，是植物實(shí)現(xiàn)自我防護(hù)的重要屏障，在植物適應(yīng)逆境中發(fā)揮著重要作用。

煙草作為卷煙的原料，是一種特殊的經(jīng)濟(jì)作物，同時卷煙稅收在國家財政收入中發(fā)揮著重要作用[7]。煙葉角質(zhì)層在卷煙加工及感官品質(zhì)中均扮演著重要角色。一方面，卷煙的加工是一個反復(fù)加水回潮和脫水干燥的過程，煙葉吸濕、解濕速率決定了煙葉加工所需的加水比例、貯存時間、能耗等，占據(jù)了卷煙加工的大部分生產(chǎn)成本，而煙葉角質(zhì)層由于其天然的生理特性，與煙葉吸濕、解濕速率密切相關(guān)[8]。另一方面，煙草的香氣是卷煙品質(zhì)的重要組成部分，而煙葉中的很多致香物質(zhì)主要存在于角質(zhì)層中[9]。消費(fèi)者抽吸卷煙的過程本身也是煙草燃燒、熱解的過程，研究分離煙葉角質(zhì)層，獲取其化學(xué)組成特征，進(jìn)而探索煙葉離體角質(zhì)層的熱解行為，有利于了解煙氣中香味物質(zhì)以及有害成分的形成機(jī)制與釋放規(guī)律，更好地為卷煙產(chǎn)品開發(fā)服務(wù)，同時也盡可能降低煙草對健康的影響。

目前，關(guān)于煙草熱解的研究較多[10-14]，而針對煙葉離體角質(zhì)層的熱解過程以及揮發(fā)分產(chǎn)物釋放規(guī)律尚不清楚。鑒于此，選擇不同產(chǎn)地（云南大理、湖南郴州、山東濰坊、黑龍江哈爾濱）煙葉，采用酶法、化學(xué)方法分離角質(zhì)層，并通過掃描電子顯微鏡和傅里葉紅外光譜儀對其進(jìn)行表征觀察與分析，然后采用熱重-傅里葉紅外光譜-質(zhì)譜（TG-FTIR-MS）聯(lián)用技術(shù)對離體角質(zhì)層的熱解行為及熱動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析，研究其熱解揮發(fā)分產(chǎn)物的釋放規(guī)律與成分，旨在為煙葉熱解研究提供依據(jù)，為植物角質(zhì)層理論研究提供參考。

1 材料和方法

1.1 煙葉角質(zhì)層的分離

1.1.1 前處理 取云南大理、湖南郴州、山東濰坊、黑龍江哈爾濱的中部烤后煙葉，在溫度為22 ℃、相對濕度為60%的恒溫恒濕箱（HPP750eco 型號，德國Memmert 公司）中平衡24 h 后，用打孔器打孔得到若干個直徑為15 mm的葉圓片。

1.1.2 果膠酶/纖維素酶法分離 用超純水按1∶10的比例稀釋液態(tài)的纖維素酶（活性為700 EGU/g，諾維信公司）和果膠酶（活性為10 968 PECTU/g，諾維信公司）原液，將配制好的果膠酶溶液、纖維素酶溶液以1∶1的體積比例混合。將打孔得到的煙片浸泡于酶解液中，放置在溫度為45 ℃、相對濕度為70%的恒溫恒濕箱中酶解24 h，以實(shí)現(xiàn)煙片角質(zhì)層的分離。接下來將經(jīng)過酶解分離出的煙葉角質(zhì)層轉(zhuǎn)移至超純水中，放置室溫條件下，以備后續(xù)試驗(yàn)使用。用酶法分離得到的云南大理、湖南郴州、山東濰坊、黑龍江哈爾濱4 個產(chǎn)地?zé)熑~角質(zhì)層，分別命名為EYD、EHC、ESW、EHH。

1.1.3 ZnCl2/HCl 法分離 按1 g 氯化鋅（純度≥98%，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）與1.70 mL 鹽酸（化學(xué)純，上海滬試實(shí)驗(yàn)室器材股份有限公司）的比例配制氯化鋅和鹽酸的混合溶液，將經(jīng)過前處理后的葉圓片浸泡于混合液中，放置于室溫條件下，反應(yīng)24 h 之后，將煙片轉(zhuǎn)移至盛有超純水的離心管，并置于振蕩器（HY-5 振蕩器，金壇市中大儀器廠）中振蕩，振蕩頻率為80～100 r/min，以加速角質(zhì)層的分離。接下來將分離出的煙葉角質(zhì)層轉(zhuǎn)移至盛有干凈超純水的燒杯中，采用歌能牌超聲波清洗機(jī)清洗純化，去除黏連在角質(zhì)層表面的其他細(xì)胞組織，其中超聲波清洗機(jī)功率為360 W，清洗10 s左右，以去除表面殘留物質(zhì)。清洗干凈后將角質(zhì)層浸泡于超純水中，放置室溫條件下，以備后續(xù)試驗(yàn)使用?；瘜W(xué)方法分離得到的云南大理煙葉角質(zhì)層，命名為CYD。

1.2 煙葉離體角質(zhì)層的結(jié)構(gòu)表征

1.2.1 掃描電鏡觀測 將煙葉離體角質(zhì)層用導(dǎo)電膠粘貼于銅質(zhì)樣品臺上，經(jīng)JFC-1600型離子濺射儀（日本Jeol 公司）噴金鍍膜后，在JSM-6010LA 型掃描電鏡（日本Jeol公司）下觀察并拍照。

1.2.2 傅里葉紅外光譜測定 將浸泡在超純水中的煙葉離體角質(zhì)層轉(zhuǎn)移至干凈的載玻片上，放入烘箱，30 ℃烘48 h，可得到烘干后的煙葉角質(zhì)層。采用TENSOR27 傅里葉紅外光譜儀（德國BRUKER 公司）利用KBr 壓片法對煙葉離體角質(zhì)層進(jìn)行紅外光譜測定，分辨率4 cm-1，波數(shù)4 000～600 cm-1，以KBr為空白，扣除背景值，室溫下測試。

1.3 TG-FTIR-MS分析

采用Perkin Elmer 公司的TGA 8000 型熱重分析儀、Spectrum 3型傅里葉紅外光譜儀和Clarus SQ 8T型質(zhì)譜儀進(jìn)行試驗(yàn)。將烘干后的角質(zhì)層樣品稱量約10 mg 裝入坩堝中，先在爐中以50 ℃保溫2 min，同時打開管線與質(zhì)譜的連接閥，繼續(xù)保溫1 min，在保溫時間快結(jié)束時對紅外光譜內(nèi)的背景信號進(jìn)行采集，然后以20 ℃/min 的升溫速率升溫至900 ℃，并保溫20 min，以40 mL/min 的氦氣（純度為99.999%）為氣氛，開始升溫的同時開啟紅外光譜采集數(shù)據(jù)，對煙葉離體角質(zhì)層的熱解曲線進(jìn)行記錄。試驗(yàn)程序設(shè)置在升溫段前加3 min 的50 ℃保溫段，以保證角質(zhì)層在升溫前全部處于同樣的溫度狀態(tài)，并且此過程可以讓氦氣充滿三聯(lián)機(jī)儀器中，消除水分和空氣中氣體雜質(zhì)的影響。將熱重、紅外、質(zhì)譜之間的傳輸線溫度設(shè)置為270 ℃，以防止氣體產(chǎn)物冷凝。

1.4 熱解動力學(xué)計算

將角質(zhì)層的熱解過程整體表示為A（固體）→B（固體）+C（氣體）。

大部分反應(yīng)在非等溫條件下的動力學(xué)可通過等式總結(jié)為方程（1）：

在反應(yīng)速率方程式（1）中，溫度變化對速率常數(shù)k的影響較大，通常用阿倫尼烏斯（Arrhenius）方程來定量地描述這種溫度依賴性：

式中，k為速率常數(shù)；A為頻率因子（min-1）；E為活化能（kJ/mol）；T為溫度（K）；R 為理想氣體常數(shù)[8.314 J/（mol·K）]。

對于熱重法得到的數(shù)據(jù)，α定義為下式：

式中，m0是反應(yīng)開始時的初始質(zhì)量，mt是時間t時的質(zhì)量，m∞是反應(yīng)結(jié)束時的最終質(zhì)量。

通過上述速率方程式（1）由等溫動力學(xué)數(shù)據(jù)獲得反應(yīng)過程中的動力學(xué)參數(shù)。對于由非等溫試驗(yàn)得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)而言，可以通過利用下式將（1）進(jìn)行變形，從而得到在恒定加熱速率下的反應(yīng)速率作為溫度的函數(shù)的非等溫下的速率表達(dá)式：

式中，dα/dT為非等溫反應(yīng)速率，dα/dt則為等溫反應(yīng)速率，dT/dt是恒定加熱速率，通常用β表示。

將式（1）與（2）帶入式（4），可以得到恒定加熱速率下的非等溫速率方程式的微分形式：

分離變量，并積分等式（5）可以得到非等溫條件下的速率方程的積分形式：

其中，G（α）是積分形式的機(jī)制函數(shù)，定義如下：

表1 給出了常用的反應(yīng)動力學(xué)模型、反應(yīng)機(jī)制以及機(jī)制函數(shù)G（α）及f（α）的表達(dá)式。

表1 動力學(xué)機(jī)制函數(shù)模型Tab.1 Dynamic mechanism function models

對TG、微分熱重（DTG）數(shù)據(jù)采用Coats-Redfern法進(jìn)行分析。

通過對等式（6）中的溫度近似積分，Coats-Redfern方程推導(dǎo)如下：

由 于2RT/E?1，在 等 式（8）中l(wèi)n[G（α）/T2]和（1/T）具有線性關(guān)系，并且活化能E和頻率因子A可以通過擬合線性曲線的斜率和截距來計算。

2 結(jié)果與分析

2.1 煙葉角質(zhì)層的結(jié)構(gòu)表征

2.1.1 表面形態(tài)特征 采用酶法和化學(xué)方法均可分離得到煙葉角質(zhì)層，圖1 為2 種方法分離得到的云南大理煙葉角質(zhì)層在電鏡下的微觀結(jié)構(gòu)。如圖1所示，角質(zhì)層表面有很多紋理，凹凸不平，并不光滑，大量顆粒狀蠟質(zhì)呈現(xiàn)稀疏分布，偶見塊狀蠟質(zhì)，表面分布有氣孔和腺毛，氣孔形態(tài)基本相同，氣孔器由副衛(wèi)細(xì)胞圍繞成橢圓形，氣孔為長條形，呈分散狀分布。腺毛多內(nèi)陷于角質(zhì)層表面，輪廓清晰，形狀飽滿且光滑，大部分呈鏟子狀、蟹鉗狀。2種分離方法對比，化學(xué)分離法得到的離體角質(zhì)層表面腺毛較少、顆粒狀蠟質(zhì)也較少，酶法分離得到的角質(zhì)層表面皺褶較密集且明顯，顆粒狀蠟質(zhì)和塊狀蠟質(zhì)較為豐富。

圖1 酶法（A）和化學(xué)方法（B）分離得到的煙葉角質(zhì)層微觀結(jié)構(gòu)Fig.1 The microstructure of tobacco leaf cuticle separated by enzyme method（A）and chemical method（B）

2.1.2 傅里葉紅外分析 如圖2 所示，對不同分離方法及不同產(chǎn)地?zé)熑~的離體角質(zhì)層進(jìn)行紅外光譜表征。相同產(chǎn)地2 種不同分離方法以及4種不同產(chǎn)地?zé)熑~角質(zhì)層的紅外光譜圖峰形基本保持一致，但不同分離方法或產(chǎn)地的角質(zhì)層某些特征峰信號強(qiáng)度不同。在3 413 cm-1處觀察到的吸收峰表示氫鍵基團(tuán)伸縮振動峰；在2 918、2 848、1 462、1 374、1 317 cm-1的峰來自-CH2基團(tuán)的振動峰；2 360 cm-1和2 339 cm-1處的2個中強(qiáng)峰來自雙鍵、三鍵類中的C=O、C=C、C≡C和C≡N的伸縮振動，從圖2中可以明顯看出，只有云南大理煙葉角質(zhì)層在此處的峰信號不明顯，其他3 個產(chǎn)地?zé)熑~角質(zhì)層在此處均出現(xiàn)了明顯的吸收峰。在1 731 cm-1處有1 個相對較強(qiáng)的波段，屬于酯羰基C＝O 的伸縮振動；在1 163 cm-1和1 101cm-1處的吸收峰屬于酯基的不對稱和對稱伸縮振動。

圖2 不同分離方法及不同產(chǎn)地?zé)熑~角質(zhì)層的紅外光譜Fig.2 Infrared spectrum of cuticle of tobacco leaves with different separation methods and different producing areas

2.2 角質(zhì)層的熱失重過程分析

圖3 顯示了EYD、EHC、ESW、EHH 在氦氣氣氛下，升溫速率為20 ℃/min 的熱解TG 和DTG 曲線。從圖3 可以看出，4 個不同產(chǎn)地?zé)熑~離體角質(zhì)層的熱釋放行為差異不大，根據(jù)DTG 曲線可以將角質(zhì)層熱解過程分為3個階段，分別為失水階段、快速脫揮發(fā)分階段和碳化階段。階段Ⅰ為50～135 ℃，EYD、EHC、ESW 和EHH 分別失重4.80%、5.43%、5.61%、6.11%，這一階段主要是角質(zhì)層中的水分受熱蒸發(fā)。階段Ⅱ在135～595 ℃，為快速脫揮發(fā)分階段，4 組樣品的DTG 曲線在這一階段均出現(xiàn)了3 個明顯的失重峰，EYD、EHC 和ESW 3 組樣品在275 ℃和460 ℃附近出現(xiàn)了2 個肩狀側(cè)峰，在340 ℃左右為尖狀主峰，而EHH 樣品在這3 個溫度點(diǎn)均為尖狀熱解峰，說明在這一階段發(fā)生了劇烈的熱降解反應(yīng)，角質(zhì)層中的烷烴、脂肪酸、醇、萜類等化合物熱解，釋放出大量氣態(tài)產(chǎn)物。EYD、EHC、ESW 和EHH 在此階段的最大失重速率分別為0.36%/℃、0.37%/℃、0.46%/℃、0.29%/℃。第Ⅲ階段在595～900 ℃，為碳化階段，失重較少，剩余角質(zhì)層殘留物繼續(xù)熱解生成焦炭。EYD、EHC、ESW 和EHH 4 組樣品的殘余率分別為17.70%、17.42%、18.44%、20.00%，可以發(fā)現(xiàn)4組樣品中EHH 不僅殘余率最高，而且在DTG 曲線中最大失重速率最小，說明EHH樣品的熱穩(wěn)定性相對較好。

圖3 不同產(chǎn)地?zé)熑~角質(zhì)層熱解的TG曲線（A）和DTG曲線（B）Fig.3 TG（A）and DTG（B）curves of tobacco cuticle pyrolysis from different areas

4 組試樣的動力學(xué)參數(shù)如表2 所示。從表2 可以看出，采用最小二乘法對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合所得最優(yōu)擬合模型的相關(guān)系數(shù)（R2）值均在0.93 以上，說明采用的模型計算的結(jié)果是可靠的。對4 組樣品采用了3 個不同溫度區(qū)間進(jìn)行動力學(xué)研究，可以發(fā)現(xiàn)在高溫?zé)峤怆A段（300 ℃以上）最優(yōu)擬合模型均是化學(xué)反應(yīng)二級（F2）模型。隨著區(qū)間溫度的升高，所得活化能逐漸升高，相應(yīng)的頻率因子也逐漸升高，體現(xiàn)了活化能與頻率因子在熱解過程中變化的一致性，4組樣品在低溫?zé)峤怆A段（300 ℃以下）活化能在65.35～114.66 kJ/mol，高溫階段活化能在125.35～250.50 kJ/mol，說明角質(zhì)層在高溫階段較難熱分解。

表2 煙葉角質(zhì)層的熱解動力學(xué)參數(shù)Tab.2 Pyrolysis kinetic parameters of tobacco cuticle

2.3 角質(zhì)層熱解過程中揮發(fā)分析出的傅里葉紅外分析

圖4為不同產(chǎn)地?zé)熑~角質(zhì)層在氦氣氣氛下熱解的三維紅外光譜圖。從圖4 中可以看出，不同產(chǎn)地?zé)熑~角質(zhì)層熱解的特征吸收峰主要位于2 931、2 360～2 315、1 765、1 115、672 cm-1，分別代表了熱解過程中的主要產(chǎn)物。3 030～2 850 cm-1為CH4等烷烴中C-H 鍵伸縮振動區(qū)間，主要來源于角質(zhì)層中的甲基（-CH3）、甲氧基（-OCH3）和亞甲基（-CH2-）裂解。2 500～2 250 cm-1和700～600 cm-1區(qū)間為CO2中C=O 鍵的伸縮振動區(qū)間，該化學(xué)鍵在紅外光譜中吸收較為強(qiáng)烈，顯示出明顯的吸收峰，CO2主要來源于羰基和羧基化合物等包含碳氧元素物質(zhì)的熱解反應(yīng)。1 800～1 710 cm-1區(qū)間為羰基化合物醛類、酮類以及羧酸類等含有的C=O 的伸縮振動吸收峰，醇類、酚類等C-O 鍵的伸縮振動主要體現(xiàn)在1 131～1 077 cm-1區(qū)間。

圖4 不同產(chǎn)地?zé)熑~角質(zhì)層熱解失重過程揮發(fā)分析出的三維紅外光譜Fig.4 3D-FTIR diagram of volatilization analysis of tobacco cutide from different origins during pyrolysis and weightlessness

對三維紅外譜圖做切片處理，以吸光度為縱坐標(biāo)，波數(shù)為橫坐標(biāo)，繪制在最大失重速率處的二維紅外譜圖，進(jìn)而分析4 種不同產(chǎn)地角質(zhì)層樣品的揮發(fā)分的組成成分。圖5 所示為4 組樣品在3 個熱解最大失重速率處揮發(fā)分析出的FTIR 圖譜。隨著熱解溫度升高，脂肪族C-H 的吸收峰明顯增強(qiáng)，代表產(chǎn)物是CH4；芳香族C-H的吸收峰也增強(qiáng)，說明在熱解過程中角質(zhì)層的芳香性也在逐漸增加，這也導(dǎo)致在高溫?zé)峤怆A段的活化能增加；CO2的特征吸收峰隨溫度的升高而降低，說明在低溫階段羧基和羰基基本完全分解，產(chǎn)生了大量CO2的釋放；C=O 伸縮振動的特征吸收峰隨溫度升高呈現(xiàn)先增強(qiáng)再減弱的趨勢，在340 ℃左右峰值達(dá)到最大；C-O 的吸收峰與C=O的變化趨勢相同，在340 ℃左右強(qiáng)度最大。

圖5 最大失重速率處煙葉角質(zhì)層熱解揮發(fā)分析出的紅外圖譜Fig.5 FTIR spectrum obtained from pyrolysis volatilization analysis of tobacco cuticle at the maximum weight loss rate

2.4 角質(zhì)層熱解過程中揮發(fā)分析出的質(zhì)譜分析

為了進(jìn)一步研究角質(zhì)層在熱解過程中所釋放的氣態(tài)產(chǎn)物，使用質(zhì)譜分析的主要離子片段選擇特定的質(zhì)荷比（m/z）實(shí)時生成熱解產(chǎn)物的譜圖。不同目標(biāo)產(chǎn)物有著不同的分子離子碎片，選擇質(zhì)荷比m/z=43、45、59、91、94、106、162，分別代表的產(chǎn)物為羧酸類化合物、醚類化合物、酯類化合物、甲苯、苯酚、二甲苯、尼古丁，其熱解過程生成量隨溫度的變化關(guān)系如圖6 所示。從圖6 可以看出，不同產(chǎn)地角質(zhì)層的熱解機(jī)制基本相同，各檢測產(chǎn)物在角質(zhì)層熱解過程中均有產(chǎn)生，且這些物質(zhì)的釋放溫度區(qū)間較為接近，多集中在300～600 ℃溫度區(qū)間內(nèi)，其中以羧酸類化合物和甲苯居多，質(zhì)譜響應(yīng)信號在107數(shù)量級，其他氣體產(chǎn)物的生成量相對較少。羧酸類物質(zhì)在200 ℃附近開始產(chǎn)生，分別在350 ℃和550 ℃左右出現(xiàn)2 個質(zhì)譜響應(yīng)信號峰值；醚類物質(zhì)生成量隨溫度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，峰值出現(xiàn)在390 ℃左右；酯類物質(zhì)生成量較少，260 ℃左右開始出現(xiàn)，到510 ℃附近達(dá)到最大值后逐漸下降；3個苯系物生成量變化趨勢基本相同，其中甲苯的生成量最多，250 ℃左右開始產(chǎn)生，530 ℃左右達(dá)到峰值，苯酚則較早達(dá)到峰值，在500 ℃左右已達(dá)到質(zhì)譜響應(yīng)信號的最大值，二甲苯不僅生成量少，在540 ℃左右才達(dá)到峰值?？赡苁怯捎诮琴|(zhì)層與細(xì)胞壁緊密連接，分離后的角質(zhì)層中黏附有部分細(xì)胞壁組織，在熱解過程中出現(xiàn)尼古丁隨溫度變化的質(zhì)譜響應(yīng)信號，從250 ℃開始生成，到520 ℃左右達(dá)到峰值。在整個熱解過程中，角質(zhì)層熱解釋放最多的是羧酸類物質(zhì)，且在相對較低的熱解溫度出現(xiàn)，其次是甲苯，醚類物質(zhì)和苯酚的生成量相差不大，二甲苯和酯類物質(zhì)生成量則較少。

圖6 煙葉角質(zhì)層熱解過程析出氣體隨溫度變化質(zhì)譜曲線Fig.6 Mass spectrum curve of gas evolution with temperature during tobacco cuticle pyrolysis

3 結(jié)論與討論

采用酶法和化學(xué)方法均可分離出煙葉角質(zhì)層，對其進(jìn)行掃描電鏡觀察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，煙葉離體角質(zhì)層表面有紋理且凹凸不平，大量顆粒狀蠟質(zhì)呈現(xiàn)稀疏分布，偶見塊狀蠟質(zhì)，表面分布有氣孔和腺毛，氣孔形態(tài)基本相同，氣孔器由副衛(wèi)細(xì)胞圍繞成橢圓形，氣孔為長條形，呈分散狀分布。腺毛多內(nèi)陷于角質(zhì)層表面，輪廓清晰，形狀飽滿且光滑，大部分呈鏟子狀、蟹鉗狀。這與張譯丹等[15]、徐靜[16]觀察的煙草表皮形貌基本相同。

傅里葉紅外光譜可用于推斷角質(zhì)層表面官能團(tuán)的種類[17-18]，4 個不同產(chǎn)地角質(zhì)層的紅外光譜顯示，在3 413 cm-1處觀察到的吸收峰表示羥基官能團(tuán)的伸縮振動，當(dāng)羥基成氫鍵時，代表氫鍵基團(tuán)伸縮振動峰，另外在3 600 cm-1附近沒有紅外吸收表明角質(zhì)層物質(zhì)中沒有明顯的游離羥基[18]。2 918、2 848、1 462、1 374、1 317 cm-1處的峰來自-CH2基團(tuán)的振動峰，屬于角質(zhì)層中蠟質(zhì)、角質(zhì)和角碳等脂肪性組分[19-21]。云南大理煙葉角質(zhì)層在2 360 cm-1和2 339 cm-1處出現(xiàn)的2 個中強(qiáng)峰來自雙鍵、三鍵類中的C=O、C=C、C≡C和C≡N的伸縮振動[22-23]。在1 731 cm-1處有1 個相對較強(qiáng)的波段，屬于角質(zhì)聚合物中酯羰基C＝O的伸縮振動[18]，在1 163和1 101 cm-1處的吸收峰屬于酯基的不對稱和對稱伸縮振動，這些吸收峰與角質(zhì)單體在聚合物形式中的酯交換作用有關(guān)[24]。1 248、1 071、1 024 cm-1為C-O 伸縮振動，代表了角質(zhì)層多糖中的含氧官能團(tuán)[24-25]。角質(zhì)層的芳香族結(jié)構(gòu)域在1 650～1 500 cm-1處有1 個吸收峰，表明在角質(zhì)層上存在酚類化合物[24]。這與查燕等[26]對馬尾松、海桐、桂花葉片角質(zhì)層的紅外光譜表征結(jié)果類似。

4 種不同產(chǎn)地角質(zhì)層的熱解過程相差不大，根據(jù)DTG 曲線可以將其分為3 個階段，分別為失水階段（50～135 ℃）、快速脫揮發(fā)分階段（135～595 ℃）和碳化階段（595～900 ℃）。在快速脫揮發(fā)分階段，4組樣品的DTG 曲線在這一階段均出現(xiàn)了3 個明顯的失 重 峰，EYD、EHC 和ESW3 組 樣 品 在275 ℃和460 ℃附近出現(xiàn)了2個肩狀側(cè)峰，在340 ℃左右為尖狀主峰，而EHH 樣品在這3 個溫度點(diǎn)均為尖狀熱解峰。EYD、EHC、ESW 和EHH 在此階段的最大失重速率分別為0.36%/℃、0.37%/℃、0.46%/℃、0.29%/℃。離體角質(zhì)層成分主要為烷烴、脂肪酸、醇、萜類等化合物[16，27]，較煙葉成分更為單一，在熱解過程中角質(zhì)層的熱釋放主要集中在1 個階段，而煙葉的熱解可明顯分3 個主要的階段[28]。對快速脫揮發(fā)分階段采用3 個不同溫度區(qū)間進(jìn)行動力學(xué)研究，可以發(fā)現(xiàn)在高溫?zé)峤怆A段（300 ℃以上）最優(yōu)擬合模型均為化學(xué)反應(yīng)二級（F2）模型。隨著區(qū)間溫度的升高，所得活化能逐漸升高，相應(yīng)的頻率因子也逐漸升高，出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因可能是，隨著溫度的升高熱解程度逐漸增加，前期分解活化能較低的物質(zhì)大量釋放，難分解的物質(zhì)比重增加，且樣品的芳香結(jié)構(gòu)有序化程度升高和結(jié)構(gòu)中含氧官能團(tuán)的降低，導(dǎo)致角質(zhì)層發(fā)生熱解反應(yīng)所需克服的能壘明顯升高[29-30]。

通過TG-FTIR-MS 聯(lián)用技術(shù)分析可知，4 組煙葉離體角質(zhì)層樣品熱解產(chǎn)生的氣體成分主要包括CH4和CO2。隨著熱解溫度升高，脂肪族C-H 的吸收峰明顯增強(qiáng)，代表產(chǎn)物是CH4，這主要是由于脂肪族烷烴側(cè)鏈發(fā)生裂解和重排，甲氧基（-OCH3）、甲基（-CH3）和亞甲基（-CH2）脫落[31-33]；芳香族C-H 的吸收峰也增強(qiáng)，說明在熱解過程中角質(zhì)層的芳香性也在逐漸增加，主要是因?yàn)橹炬満秃踅M分逐步轉(zhuǎn)化為芳香結(jié)構(gòu)[34-35]，這也導(dǎo)致在高溫?zé)峤怆A段的活化能增加；CO2主要來源于角質(zhì)層中的脫羧基和羰基裂解[31]，說明在低溫階段羧基和羰基基本完全分解，產(chǎn)生了大量CO2的釋放；C=O 伸縮振動的特征吸收峰隨溫度升高呈現(xiàn)先增強(qiáng)再減弱的趨勢，說明在熱解過程中產(chǎn)生了醛類和酮類化合物[31]。C-O 與C=O 吸收峰的出現(xiàn)，主要是由于醇、酚類產(chǎn)物的析出[23]。氣態(tài)產(chǎn)物多集中在300～600 ℃溫度區(qū)間，其中以羧酸類化合物和甲苯居多。苯系物生成量隨溫度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，250 ℃左右開始產(chǎn)生，在500～540 ℃區(qū)間達(dá)到峰值。這與李曉亮等[36-37]對煙草熱解過程中關(guān)鍵物質(zhì)的釋放濃度曲線隨溫度變化的趨勢基本相同。煙葉角質(zhì)層的熱解主要釋放出一些低分子質(zhì)量的揮發(fā)性成分（如羧酸類、酯類等）和具有特殊香氣的物質(zhì)（如芳香族化合物等），與王健等[38]的研究對比，可發(fā)現(xiàn)羧酸類化合物在角質(zhì)層熱解過程中的釋放要早于在煙草中的熱解釋放，這主要是因?yàn)閬碓床煌?，煙草熱解中的羧酸類物質(zhì)主要來源于組分中纖維素的分解[37]，而角質(zhì)層中的主要成分是脂質(zhì)，在熱解過程中會生成羧酸和芳香族化合物[39]，脂質(zhì)的熱解溫度在200 ℃左右[40]，而纖維素的起始熱解溫度在250 ℃[41]。尼古丁主要存在于煙葉細(xì)胞的細(xì)胞液和液泡中，也有一部分存在于細(xì)胞壁和細(xì)胞間隙中[42]，可能是由于角質(zhì)層與細(xì)胞壁緊密連接，分離后的角質(zhì)層中黏附有部分細(xì)胞壁組織，在熱解過程中出現(xiàn)了尼古丁隨溫度變化的質(zhì)譜響應(yīng)信號。對比王健等[38]的研究，發(fā)現(xiàn)角質(zhì)層的熱解主要釋放出一些低分子質(zhì)量的揮發(fā)性成分（如羧酸類、酯類等）和具有特殊香氣的物質(zhì)（如芳香族化合物等）。

本研究經(jīng)過酶法、化學(xué)方法分離煙葉角質(zhì)層，通過掃描電子顯微鏡和傅里葉紅外光譜儀對其進(jìn)行表征分析，采用TG-FTIR-MS 聯(lián)用技術(shù)對煙葉離體角質(zhì)層的熱解行為、動力學(xué)參數(shù)以及揮發(fā)分產(chǎn)物的釋放規(guī)律進(jìn)行研究，可為進(jìn)一步了解煙葉的組織結(jié)構(gòu)對煙葉熱釋放行為的影響提供思路。但本研究主要側(cè)重于煙葉離體角質(zhì)層實(shí)時在線的熱解反應(yīng)過程，對于角質(zhì)層在熱解過程中會產(chǎn)生哪些具體產(chǎn)物以及對煙氣中香味成分的貢獻(xiàn)還需要進(jìn)一步研究。