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(nóng)業(yè)大學食品科學技術(shù)學院，河南 鄭州 450002）

傳統(tǒng)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(tǒng)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(zhì)高溫分解以及糖類不完全燃燒等易產(chǎn)生多環(huán)芳烴類有害物質(zhì)[1-2]。多環(huán)芳烴（polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs）是重要的環(huán)境和食品污染物，研究證明多數(shù)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(chǎn)生PAHs的主因之一。木材的種類不同，其化學組成及結(jié)構(gòu)不同，進而影響熏烤過程中產(chǎn)生的酚類等風味物質(zhì)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(xiàn)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(xiàn)出金黃色，用赤楊木和櫟木做燃料時，呈現(xiàn)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(chǎn)生的PAHs的種類和數(shù)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(jié)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(yè)。

在熏烤過程中，木質(zhì)素不完全燃燒的本質(zhì)是木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的熱轉(zhuǎn)化過程，針對PAHs的生成，主要為木材中木質(zhì)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(zhì)素三大類，木質(zhì)素約占木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)原料干基質(zhì)量的15%～40%，是僅次于纖維素的第二大可再生生物質(zhì)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(zhì)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(jié)構(gòu)，根據(jù)苯環(huán)連接的甲氧基數(shù)量從多到少分為紫丁香基丙烷單元（S型）、愈創(chuàng)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(zhì)素的醚鍵和C—C鍵的連接方式有所不同，通常硬木木質(zhì)素中醚鍵的比例高于軟木木質(zhì)素[16]。由于木質(zhì)素含有豐富的芳環(huán)結(jié)構(gòu)、脂肪族和芳香族羥基以及酚羥基等活性基團，因此，木質(zhì)素可以通過合適的途徑生產(chǎn)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(zhì)素可通過裂解、聚合反應等產(chǎn)生小分子PAHs，且軟木較硬木更易產(chǎn)生PAHs[19-21]。不同木材中木質(zhì)素的相對含量以及結(jié)構(gòu)存在差異，如H、G、S結(jié)構(gòu)相對含量不同，側(cè)鏈鏈接結(jié)構(gòu)等存在差異，導致其裂解過程不同，最終影響PAHs的生成數(shù)量與種類。因此研究不同種類木材中木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)及相應的熱解特性，可以為深入了解傳統(tǒng)熏烤肉制品的品質(zhì)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(zhì)素為研究對象，采用紅外光譜、拉曼光譜手段對木質(zhì)素結(jié)構(gòu)等進行表征，利用熱重分析和熱重-紅外聯(lián)用分析，研究這5 種木質(zhì)素的熱解行為，分析熱解產(chǎn)物析出規(guī)律，以期為了解木質(zhì)素結(jié)構(gòu)特征與熱解特性之間的相關(guān)性，進一步深入了解傳統(tǒng)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(guān)性提供理論依據(jù)。

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(mào)有限公司提供，木屑經(jīng)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(lián)用分析系統(tǒng) 鉑金埃爾默公司。

1.3 方法

1.3.1 木質(zhì)素的分離

參考文獻[22]方法，取1.1節(jié)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(xù)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(zhì)量分數(shù)為3%，并轉(zhuǎn)移至合適的圓底燒瓶中，加熱回流4 h，結(jié)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(zhì)素質(zhì)量分數(shù)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(zhì)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(shù)：光譜范圍500～4000 cm-1、掃描次數(shù)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(zhì)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(fā)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(shù)據(jù)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(zhì)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(lián)用分析

將約15 mg的5 種木質(zhì)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(shù)據(jù)處理

實驗數(shù)據(jù)采用Origin 9.0軟件進行繪圖與統(tǒng)計分析，結(jié)果以表示；采用SPSS 19.0軟件進行數(shù)據(jù)顯著性分析，P＜0.05，差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅外光譜分析

由圖1可知：5 種木質(zhì)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(huán)骨架振動吸收峰；1324 cm-1及1120 cm-1附近是紫丁香基（S型結(jié)構(gòu)）苯環(huán)呼吸振動吸收峰；1269 cm-1處是愈創(chuàng)木基（G型結(jié)構(gòu)）苯環(huán)骨架振動吸收峰[27]。

圖1 5 種木質(zhì)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(chuàng)木基特征峰（1269 cm-1），松木木質(zhì)素的特征吸收峰最強，這說明松木木質(zhì)素含有的G型結(jié)構(gòu)最多，其次是楊木、棗木、蘋果木、櫸木木質(zhì)素；對于紫丁香基特征峰（1120 cm-1），櫸木、蘋果木木質(zhì)素的吸收峰較強，這表明櫸木、蘋果木木質(zhì)素含有S型結(jié)構(gòu)較多，其次是楊木和棗木，松木木質(zhì)素的特征峰位置發(fā)生偏移；相較于其他4 種木質(zhì)素，櫸木木質(zhì)素在1324 cm-1處的吸收峰最強，同樣說明櫸木木質(zhì)素含有S型結(jié)構(gòu)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(zhì)素特征最為明顯，這表明櫸木木質(zhì)素較其他木質(zhì)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(zhì)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(zhì)素羥基彎曲振動；1535～1660 cm-1歸屬于木質(zhì)素的特征識別區(qū)域，其中1570 cm-1為木質(zhì)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(zhì)素面內(nèi)C—H伸縮振動[28]。

圖2 5 種木質(zhì)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(jié)構(gòu)特征峰，在5 種木質(zhì)素中都有不同程度的顯現(xiàn)。該峰在櫸木、蘋果木木質(zhì)素中表現(xiàn)較為強烈，說明櫸木、蘋果木木質(zhì)素中S型結(jié)構(gòu)單元含量較多，而棗木、楊木、松木木質(zhì)素中則含量相對較少。木質(zhì)素相關(guān)特征峰（1570 cm-1），其拉曼信號在蘋果木木質(zhì)素中表現(xiàn)得最強烈，表明蘋果木含有的木質(zhì)素最多。

表2 拉曼光譜圖中5 種木質(zhì)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(zhì)素的熱解質(zhì)量損失趨勢表現(xiàn)基本一致。在30～800 ℃范圍內(nèi)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(zhì)素的熱解預熱階段，該階段主要是木質(zhì)素中的自由水和結(jié)合水的揮發(fā)，微商熱重曲線出現(xiàn)小峰。第2階段為200～500 ℃，是木質(zhì)素的主要熱解階段，熱解產(chǎn)物主要為H2O、CO、CO2以及小分子的醇、醛等。在該階段木質(zhì)素發(fā)生大部分質(zhì)量損失，質(zhì)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(zhì)素的質(zhì)量損失最明顯，失重峰相對最強，這說明楊木木質(zhì)素的熱解速率較快，熱穩(wěn)定較差，是由于其側(cè)鏈結(jié)構(gòu)中氧含量較大，甲氧基含量較高，而甲氧基含量高是熱穩(wěn)定性差的原因之一。松木木質(zhì)素的最大失重峰發(fā)生在393 ℃處，熱解溫度最高，這表明松木木質(zhì)素較難發(fā)生熱解，結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，是因為松木木質(zhì)素中含有的愈創(chuàng)木酚結(jié)構(gòu)較多，而愈創(chuàng)木酚比紫丁香酚在加熱時更易于縮合，使得其熱穩(wěn)定性更好。在這個階段，5 種木質(zhì)素聚合體發(fā)生緩慢的解聚、側(cè)鏈斷裂，并產(chǎn)生大量的揮發(fā)氣體。第3階段為500～800 ℃，在此階段，木質(zhì)素的熱重曲線依然表現(xiàn)出緩慢的下滑趨勢，為木質(zhì)素熱解的炭化過程，主要發(fā)生多環(huán)芳香結(jié)構(gòu)重整。本研究結(jié)果與崔興凱等[29]對木質(zhì)素的熱重分析一致。

圖3 5 種木質(zhì)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(zhì)素的熱穩(wěn)定較差，使得木材燃燒時熱解較完全，PAHs等有害物質(zhì)的產(chǎn)生量較少；而松木木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，易熱解不完全，較易產(chǎn)生PAHs類有害物質(zhì)。

2.4 熱重-紅外聯(lián)用分析

由圖4可知，5 種木質(zhì)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(zhì)素熱解質(zhì)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(qū)間釋放，對應溫度區(qū)間為200～500 ℃，這也與圖3中5 種木質(zhì)素熱重分析的質(zhì)量損失趨勢一致。

圖4 5 種木質(zhì)素熱解氣體產(chǎn)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(zhì)素結(jié)構(gòu)中側(cè)鏈的脂肪族羥基斷裂而產(chǎn)生；2400～2250、750～600 cm-1處的吸收峰對應CO2的生成，源于木質(zhì)素側(cè)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(xiàn)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(zhì)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(chǎn)生CO2的量較其他物質(zhì)最多。

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

圖6 5 種木質(zhì)素熱解揮發(fā)性產(chǎn)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(zhì)素產(chǎn)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(zhì)素中的C—C鍵相對較少，苯環(huán)結(jié)構(gòu)較少，較易裂解，熱解較完全。蘋果木木質(zhì)素含有的S型結(jié)構(gòu)單元相對較多，側(cè)鏈甲氧基含量較高，熱穩(wěn)定性較差；C—C鍵相對較少，較易熱解，則產(chǎn)生PAHs等有害物質(zhì)相對較少。

3 結(jié)論

紅外光譜圖顯示5 種木質(zhì)素中松木木質(zhì)素的G單元含量最高，其次是楊木、棗木、蘋果木、櫸木木質(zhì)素。拉曼光譜圖顯示櫸木、蘋果木木質(zhì)素中S單元較多，而棗木、楊木、松木木質(zhì)素中含量相對較少。熱重及熱重-紅外聯(lián)用分析表明松木木質(zhì)素的熱解溫度較高，結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，易熱解不完全，產(chǎn)生的PAHs含量相對較多；蘋果木木質(zhì)素產(chǎn)生的CO2含量最少，且釋放CO2最大量的溫度最低，蘋果木木質(zhì)素中的C—C鍵結(jié)構(gòu)相對較少，苯環(huán)結(jié)構(gòu)相對較少，較易裂解，易熱解完全，產(chǎn)生的PAHs含量相對較少。

5 種木材中的木質(zhì)素含量不同，木質(zhì)素中S/G結(jié)構(gòu)以及側(cè)鏈結(jié)構(gòu)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(zhì)素主要包含G結(jié)構(gòu)，而硬木類木質(zhì)素主要包含S和G結(jié)構(gòu)；軟木類木質(zhì)素熱解穩(wěn)定性較高，易熱解不完全，易產(chǎn)生PAHs類有害物質(zhì)，硬木類木質(zhì)素熱解速率較快，熱穩(wěn)定性較差，相對軟木產(chǎn)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(tǒng)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。