傳統熏烤木材中木質素結構表征及其熱解特性

林 菊，馬陽陽，李苗云，黃昊龍，高浩源，劉世杰，朱瑤迪，趙莉君，梁 棟，趙改名

（河南農業大學食品科學技術學院，河南 鄭州 450002）

傳統的熏烤肉制品由于其獨特的風味而廣受消費者的喜愛，但傳統熏烤肉制品采用木材熏制，熏烤時由于木材的不完全燃燒、肉品組分中脂肪焦化與裂解、蛋白質高溫分解以及糖類不完全燃燒等易產生多環芳烴類有害物質[1-2]。多環芳烴（polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs）是重要的環境和食品污染物，研究證明多數PAHs對人體具有嚴重的“三致效應”，即致畸、致癌、致突變性，如苯并(a)芘、苯并(a)蒽、苯并(b)熒蒽等[3-4]。在熏烤肉制品過程中，木材的不完全燃燒是產生PAHs的主因之一。木材的種類不同，其化學組成及結構不同，進而影響熏烤過程中產生的酚類等風味物質的組成和含量存在較大差異，PAHs等有害物的生成量也存在顯著差異。

木材種類不同，熏煙肉制品呈現出的色澤與風味也不盡相同。研究表明使用山毛櫸木、楓木、梧桐木等木材煙熏肉制品呈現出金黃色，用赤楊木和櫟木做燃料時，呈現深黃色或棕色；而軟木（松木和云杉）中樹脂含量較多，無法充分燃燒，熏煙肉制品的顏色也會更黑更重；但果木類木材煙熏肉制品色澤金黃、風味清新[5-6]。熏烤過程中采用的木材種類不同，熏烤肉制品時產生的PAHs的種類和數量也存在較大差異。Malarut等[7]通過在香腸熏制過程中，選用楝樹、銅莢樹、相思樹和桉樹與山毛櫸進行比較。結果表明，相思樹熏香腸的PAHs水平最低，但是保存時間卻不如山毛櫸熏香腸；銅莢熏香腸和桉樹熏香腸的PAHs水平與山毛櫸熏香腸相差無異但感官特性較差；印楝熏香腸貯藏時間長，且PAH4水平低于山毛櫸熏香腸，印楝木片最有可能替代山毛櫸木片用于熏肉行業。

在熏烤過程中，木質素不完全燃燒的本質是木質纖維素生物質的熱轉化過程，針對PAHs的生成，主要為木材中木質素的熱裂解過程。木材的組成主要包括纖維素、半纖維素和木質素三大類，木質素約占木質纖維素類生物質原料干基質量的15%～40%，是僅次于纖維素的第二大可再生生物質資源，也是自然界中唯一能夠提供大量可再生芳香基化合物的可再生資源[8-10]。木質素是一種復雜的三維無定形聚合物，以多個羥基和甲氧基取代的苯基丙烷單體為主體結構，根據苯環連接的甲氧基數量從多到少分為紫丁香基丙烷單元（S型）、愈創木基丙烷單元（G型）和對羥苯基丙烷單元（H型）[11-13]。單體之間主要通過醚鍵（包括β-O-4、α-O-4、4-O-5、α-O-γ等）和C—C鍵（包括β-5、5-5、β-β、β-1等）連接[14-15]。不同來源木質素的醚鍵和C—C鍵的連接方式有所不同，通常硬木木質素中醚鍵的比例高于軟木木質素[16]。由于木質素含有豐富的芳環結構、脂肪族和芳香族羥基以及酚羥基等活性基團，因此，木質素可以通過合適的途徑生產酚類和芳香烴類等小分子活性前體[17-18]。

前人研究表明木質素可通過裂解、聚合反應等產生小分子PAHs，且軟木較硬木更易產生PAHs[19-21]。不同木材中木質素的相對含量以及結構存在差異，如H、G、S結構相對含量不同，側鏈鏈接結構等存在差異，導致其裂解過程不同，最終影響PAHs的生成數量與種類。因此研究不同種類木材中木質素的結構及相應的熱解特性，可以為深入了解傳統熏烤肉制品的品質形成特性，特別是控制熏烤過程中PAHs等有害物的生成提供理論借鑒。

本研究以松木、楊木、櫸木、棗木、蘋果木5 種木質素為研究對象，采用紅外光譜、拉曼光譜手段對木質素結構等進行表征，利用熱重分析和熱重-紅外聯用分析，研究這5 種木質素的熱解行為，分析熱解產物析出規律，以期為了解木質素結構特征與熱解特性之間的相關性，進一步深入了解傳統熏烤肉制品加工中，木材種類差別與熏烤過程中PAHs的生成差異之間的相關性提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

松木、楊木、櫸木、棗木、蘋果木5 種木屑由徐州斯邁德商貿有限公司提供，木屑經粉碎后過40 目篩，在105 ℃干燥24 h以上備用。

1.2 儀器與設備

LabRAM HR Evolution激光共聚焦拉曼光譜儀Horiba科學公司；IS10紅外分析儀 美國Nicolet公司；TA Q600熱重分析儀 美國TA公司；FRONTIER同步熱分析-傅里葉紅外聯用分析系統 鉑金埃爾默公司。

1.3 方法

1.3.1 木質素的分離

參考文獻[22]方法，取1.1節處理過的木屑，烘箱中105 ℃干燥過夜4 h。稱取適量上述干燥木屑，濾紙包覆置于索氏提取器中。以苯-乙醇（2∶1，V/V）為混合溶劑抽提12 h，除去木屑中的脂肪、蠟類及其他微量組分。抽提完成之后，取出物料，無水乙醇洗滌4 次，烘箱中100 ℃干燥4 h，冷卻后稱量。稱取適量抽提過的木屑于小燒杯中，冰水浴中攪拌條件下，緩慢滴加72%硫酸溶液。加畢，繼續攪拌1 min，保證木屑與硫酸溶液充分接觸，之后將其置于20 ℃水浴中攪拌2 h。立即取出燒杯，加入去離子水稀釋酸質量分數為3%，并轉移至合適的圓底燒瓶中，加熱回流4 h，結束后取出自然冷卻至室溫。過濾，濾渣用去離子水洗滌至中性，105 ℃干燥過夜，稱量。5 種木材中木質素質量分數分別為蘋果木32.6%、棗木29.4%、松木26.7%、楊木19.6%、櫸木19.6%。

1.3.2 紅外光譜分析

分別取約1 mg 5 種干燥木質素與約120 mg干燥的溴化鉀粉末，在瑪瑙研缽中完全混合均勻，研磨至粒徑低于0.071 mm，整個過程在紅外燈下進行以防止溴化鉀吸水。將研磨后的粉末使用壓片機在105 MPa左右的壓力下壓制1 min左右，制成一定厚度和直徑的透明壓片。將制成的溴化鉀壓片放入紅外光譜儀中采集紅外光譜，采集參數：光譜范圍500～4000 cm-1、掃描次數32 次、光譜分辨率4 cm-1[23]。

1.3.3 拉曼光譜分析

分別取約4 mg左右的5 種木質素依次置于載玻片上，采用拉曼光譜儀進行光譜采集和成像。為獲得較高的空間分辨率，光譜采集時采用100 倍油鏡以及532 nm激發波長，到達樣品的激光功率為8 mW。測試時光柵為300 mm-1，狹縫寬度為100 μm，孔隙尺寸300 μm，掃描步距0.5 μm，單點光譜采集時間20 s，光譜測定范圍500～3100 cm-1，光譜分辨率2 cm-1，最后利用LabSpec6軟件對獲得數據進行后期處理，包括宇宙射線移除和光譜基線校正[24]。

1.3.4 熱重分析

分別稱取5 種木質素約5 mg置于熱重分析儀中，以α-Al2O3為參照物，以氮氣為載氣、流速為50 mL/min，以10 ℃/min的升溫速率從室溫加熱至800 ℃[25]。

1.3.5 熱重-紅外聯用分析

將約15 mg的5 種木質素置于熱重分析儀中，載氣為氮氣，流速為20 mL/min，以20 ℃/min的升溫速率從室溫加熱至800 ℃，氣體輸送管、氣體輸送池溫度均為200 ℃。紅外掃描范圍400～4000 cm-1，分辨率4 cm-1，每次掃描時間8 s，全光譜譜庫檢索[26]。

1.4 數據處理

實驗數據采用Origin 9.0軟件進行繪圖與統計分析，結果以表示；采用SPSS 19.0軟件進行數據顯著性分析，P＜0.05，差異顯著。

2 結果與分析

2.1 紅外光譜分析

由圖1可知：5 種木質素在3430 cm-1附近均有較強的羥基O—H拉伸吸收峰；2940 cm-1處為甲基、亞甲基和次甲基的C—H拉伸振動峰；1458 cm-1處的峰對應甲基與亞甲基C—H彎曲振動；1610、1506、1425 cm-1這3 處為芳香環骨架振動吸收峰；1324 cm-1及1120 cm-1附近是紫丁香基（S型結構）苯環呼吸振動吸收峰；1269 cm-1處是愈創木基（G型結構）苯環骨架振動吸收峰[27]。

圖1 5 種木質素的紅外光譜圖Fig.1 FTIR spectra of lignin from five kinds of wood

如表1所示，對于愈創木基特征峰（1269 cm-1），松木木質素的特征吸收峰最強，這說明松木木質素含有的G型結構最多，其次是楊木、棗木、蘋果木、櫸木木質素；對于紫丁香基特征峰（1120 cm-1），櫸木、蘋果木木質素的吸收峰較強，這表明櫸木、蘋果木木質素含有S型結構較多，其次是楊木和棗木，松木木質素的特征峰位置發生偏移；相較于其他4 種木質素，櫸木木質素在1324 cm-1處的吸收峰最強，同樣說明櫸木木質素含有S型結構較多。另外3430 cm-1處的羥基吸收峰向3600 cm-1處紅移，且峰形變寬，尤其以櫸木木質素特征最為明顯，這表明櫸木木質素較其他木質素中存在較多的羥基，形成氫鍵締合作用。

表1 紅外光譜圖中5 種木質素的信號強度Table 1 Infrared signal intensities of lignin from five kinds of wood

2.2 拉曼光譜分析

由圖2 可知，977cm-1附近的特征峰歸屬于C ＝CH、—HC ＝CH—扭曲振動，—CH3搖擺振動；1301 cm-1附近為S型木質素羥基彎曲振動；1535～1660 cm-1歸屬于木質素的特征識別區域，其中1570 cm-1為木質素中芳香族骨架振動的特征峰；3017 cm-1附近的特征峰為木質素面內C—H伸縮振動[28]。

圖2 5 種木質素的拉曼光譜圖Fig.2 Raman spectra of lignin from five kinds of wood

從表2可以看出，1301 cm-1附近的S型結構特征峰，在5 種木質素中都有不同程度的顯現。該峰在櫸木、蘋果木木質素中表現較為強烈，說明櫸木、蘋果木木質素中S型結構單元含量較多，而棗木、楊木、松木木質素中則含量相對較少。木質素相關特征峰（1570 cm-1），其拉曼信號在蘋果木木質素中表現得最強烈，表明蘋果木含有的木質素最多。

表2 拉曼光譜圖中5 種木質素的信號強度Table 2 Raman signal intensities of lignin from five kinds of wood

2.3 熱重分析

由圖3可以看出，5 種木質素的熱解質量損失趨勢表現基本一致。在30～800 ℃范圍內的熱解過程可以分為3 個階段。第1階段為室溫至200 ℃，是木質素的熱解預熱階段，該階段主要是木質素中的自由水和結合水的揮發，微商熱重曲線出現小峰。第2階段為200～500 ℃，是木質素的主要熱解階段，熱解產物主要為H2O、CO、CO2以及小分子的醇、醛等。在該階段木質素發生大部分質量損失，質量損失率在50%～70%之間，熱重曲線急劇下降，對應微商熱重曲線都有一個顯著的失重峰。楊木木質素的質量損失最明顯，失重峰相對最強，這說明楊木木質素的熱解速率較快，熱穩定較差，是由于其側鏈結構中氧含量較大，甲氧基含量較高，而甲氧基含量高是熱穩定性差的原因之一。松木木質素的最大失重峰發生在393 ℃處，熱解溫度最高，這表明松木木質素較難發生熱解，結構較穩定，是因為松木木質素中含有的愈創木酚結構較多，而愈創木酚比紫丁香酚在加熱時更易于縮合，使得其熱穩定性更好。在這個階段，5 種木質素聚合體發生緩慢的解聚、側鏈斷裂，并產生大量的揮發氣體。第3階段為500～800 ℃，在此階段，木質素的熱重曲線依然表現出緩慢的下滑趨勢，為木質素熱解的炭化過程，主要發生多環芳香結構重整。本研究結果與崔興凱等[29]對木質素的熱重分析一致。

圖3 5 種木質素的熱重曲線（A）和微商熱重曲線（B）Fig.3 TG (A) and DTG (B) curves of lignin from five kinds of wood

楊木木質素的熱穩定較差，使得木材燃燒時熱解較完全，PAHs等有害物質的產生量較少；而松木木質素的結構較穩定，易熱解不完全，較易產生PAHs類有害物質。

2.4 熱重-紅外聯用分析

由圖4可知，5 種木質素在2000～2400 cm-1有一個最顯著的吸收峰為尖峰，這與圖3中5 種木質素熱解質量損失的最大速率相對應，是熱解的主要階段。另外，以時間為橫坐標可以看出，熱解大部分氣體集中在20～50 min區間釋放，對應溫度區間為200～500 ℃，這也與圖3中5 種木質素熱重分析的質量損失趨勢一致。

圖4 5 種木質素熱解氣體產物的紅外光譜三維譜圖Fig.4 Three-dimensional FTIR spectra of pyrolysis gas products of lignin from five kinds of wood

由圖5可知，吸收峰3800～3500 cm-1對應H2O的生成，是由于木質素結構中側鏈的脂肪族羥基斷裂而產生；2400～2250、750～600 cm-1處的吸收峰對應CO2的生成，源于木質素側鏈C—C鍵的斷裂以及羧基和醛基的裂解；2220～2080 cm-1處雙峰的出現為CO的生成，主要是由醚鍵的裂解形成；1950～1600 cm-1處的吸收峰對應醛類、酮類、酸類中的C＝O伸縮振動；1620～1250 cm-1處存在的特征峰為烷烴、醇類，酚類、醚類、脂類中C—O、C—C、碳鏈骨架伸縮振動。本研究與周強等[30]對木質素的熱重-紅外分析一致。其中CO2（2400～2250 cm-1）特征峰較其他峰最強，說明熱解產生CO2的量較其他物質最多。

圖5 5 種木質素熱解的紅外光譜圖Fig.5 FTIR spectra of pyrolysis products of lignin from five kinds of wood

圖6為5 種木質素熱解時CO2特征峰含量隨溫度變化的紅外光譜，根據Lambert-Beer定律，處于特定波數物質吸光度大小代表該物質濃度的高低。

圖6 5 種木質素熱解揮發性產物隨溫度變化曲線Fig.6 Temperature-dependent variations in volatile pyrolysis products of lignin from five kinds of wood with

由圖6可知，蘋果木木質素產生的CO2含量最少，且釋放CO2最大量的溫度最低為469 ℃，這說明蘋果木木質素中的C—C鍵相對較少，苯環結構較少，較易裂解，熱解較完全。蘋果木木質素含有的S型結構單元相對較多，側鏈甲氧基含量較高，熱穩定性較差；C—C鍵相對較少，較易熱解，則產生PAHs等有害物質相對較少。

3 結論

紅外光譜圖顯示5 種木質素中松木木質素的G單元含量最高，其次是楊木、棗木、蘋果木、櫸木木質素。拉曼光譜圖顯示櫸木、蘋果木木質素中S單元較多，而棗木、楊木、松木木質素中含量相對較少。熱重及熱重-紅外聯用分析表明松木木質素的熱解溫度較高，結構較穩定，易熱解不完全，產生的PAHs含量相對較多；蘋果木木質素產生的CO2含量最少，且釋放CO2最大量的溫度最低，蘋果木木質素中的C—C鍵結構相對較少，苯環結構相對較少，較易裂解，易熱解完全，產生的PAHs含量相對較少。

5 種木材中的木質素含量不同，木質素中S/G結構以及側鏈結構也存在一定差異，導致熏烤過程中其熱解特性不同，進而影響熏烤肉制品中PAHs等有害物的生成量不同。軟木類木質素主要包含G結構，而硬木類木質素主要包含S和G結構；軟木類木質素熱解穩定性較高，易熱解不完全，易產生PAHs類有害物質，硬木類木質素熱解速率較快，熱穩定性較差，相對軟木產生PAHs含量較少。在今后的熏烤肉制品中，選擇硬木類作為熏材，來降低傳統熏烤肉制品中PAHs的生成量，進一步提高食品加工過程的安全性。