朱春暉 索衛(wèi)國(guó) 黃衛(wèi)東 廖堃 張翼

(江西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，江西 南昌 330096)

前言

煙草及煙草制品中總氮含量是對(duì)卷煙勁頭和吃味有重要影響的指標(biāo)，煙草中含氮化合物包括蛋白質(zhì)、游離氨基酸、生物堿、硝酸鹽和其他含氮雜環(huán)化合物等，含氮化合物在燃吸過(guò)程中，形成的煙氣顯堿性，給人以辣、刺、苦的感覺(jué)。為了使煙氣吃味醇和，無(wú)辣、刺、苦的感覺(jué)，應(yīng)保證煙氣酸堿適度，必須使煙絲中的糖氮比合適。因此，總氮含量的測(cè)定對(duì)鑒別煙質(zhì)好壞具有一定意義，是煙草化學(xué)分析的常規(guī)檢測(cè)項(xiàng)目。本文從煙草及煙草制品中總氮測(cè)定方法種類(lèi)和發(fā)展前景等方面對(duì)煙草及煙草制品中總氮測(cè)定方法研究進(jìn)行了綜述。煙草中總氮的測(cè)定就是將煙草中各種含氮化合物中的總氮含量檢測(cè)出來(lái)，總氮的測(cè)定常用的方法主要有2類(lèi)：間接分析法，其代表方法為近紅外光譜法；經(jīng)典化學(xué)分析法，又分為消化后測(cè)銨和燃燒后測(cè)氮，其代表方法為凱氏法和杜馬斯燃燒法。

1 近紅外光譜分析法

與常見(jiàn)的化學(xué)分析法不同，近紅外光譜分析是一種間接分析技術(shù)，是用統(tǒng)計(jì)的方法在樣品待測(cè)屬性值與近紅外光譜數(shù)據(jù)之間建立一個(gè)關(guān)聯(lián)模型(或稱(chēng)校正模型)。因此在對(duì)未知樣品進(jìn)行分析之前需要收集大量用于建立關(guān)聯(lián)模型的校正樣品，以獲得用近紅外光譜分析光譜數(shù)據(jù)與經(jīng)典化學(xué)分析法所獲數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系。傅立葉變換型近紅外光譜分析儀的特點(diǎn)有分辨能力高、掃描速度極快和輻射光通量大[1]等。1995年近紅外光譜分析技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于中國(guó)煙草行業(yè)總氮含量測(cè)定[2]。

在煙草及煙草制品中多種常規(guī)化學(xué)成分含量測(cè)定中應(yīng)用較多，2009年，王維妙等[3]以100個(gè)有代表性的再造煙葉樣品作為模型校正集，15個(gè)樣品為驗(yàn)證集，通過(guò)偏最小二乘法建立了煙堿、總糖、還原糖、總氮和鉀5種成分的透射模型，并對(duì)模型的預(yù)測(cè)效果和重復(fù)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果證明，近紅外透射法適用于批量再造煙葉樣品中煙堿、總糖、還原糖、總氮和鉀含量的快速分析。李永福[4]采用經(jīng)典化學(xué)分析法對(duì)煙草中總糖、還原糖、氯、鉀、煙堿和總氮6種常規(guī)化學(xué)成分進(jìn)行測(cè)定，然后對(duì)6種常規(guī)化學(xué)成分進(jìn)行近紅外光譜分析，通過(guò)化學(xué)分析法和近紅外光譜分析法的分析比較，驗(yàn)證近紅外定量分析模型的預(yù)測(cè)能力，結(jié)果顯示，6種常規(guī)化學(xué)成分預(yù)測(cè)結(jié)果的平均相對(duì)偏差均在3%左右，達(dá)到經(jīng)典化學(xué)分析方法要求的平行實(shí)驗(yàn)的精密度。2012年，陳萍等[5]應(yīng)用近紅外光譜法預(yù)測(cè)云南香料煙的總糖、還原糖和總氮，以250份樣品作為建模樣品，41份作為驗(yàn)證樣品，結(jié)果顯示，近紅外光譜法與連續(xù)流動(dòng)法之間差異不顯著。2015年，張朝等[6]采用近紅外光譜分析技術(shù)，選取單品種樣品681個(gè)，結(jié)合偏最小二乘法，定量分析了煙草中氯、煙堿、總糖、還原糖及總氮含量，并用實(shí)際樣品對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果顯示，所建模型精密度良好，近紅外光譜法與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法(連續(xù)流動(dòng)法)所測(cè)值不存在顯著差異。

近紅外檢測(cè)技術(shù)具有快速高效、不消耗化學(xué)藥品、可同時(shí)測(cè)試多項(xiàng)指標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)，但近紅外光譜分析技術(shù)準(zhǔn)確性受多種因素的影響，其中，樣品的粒度及均勻度影響最大，粒度變異直接影響近紅外光譜的變異。此外，模型初建時(shí)標(biāo)樣選擇、數(shù)量及其設(shè)計(jì)也影響到預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度。標(biāo)樣的選擇要充分考慮樣品成分的含量和梯度、標(biāo)樣的物理和化學(xué)特性，以提高多定標(biāo)效果和應(yīng)用范圍。標(biāo)樣數(shù)量太少，不足以反映被測(cè)群體的常態(tài)分布規(guī)律，數(shù)量太多，則增加工作量。標(biāo)樣設(shè)計(jì)也影響定標(biāo)的準(zhǔn)確性。對(duì)于成分含量間相關(guān)性強(qiáng)的被測(cè)成分可根據(jù)同套樣品進(jìn)行定標(biāo)，對(duì)相關(guān)性差的成分，則需根據(jù)特定的篩選原則，分別以另外的樣品進(jìn)行定標(biāo)，以提高定標(biāo)效果及檢驗(yàn)準(zhǔn)確性。另外，不同溫度、不同含水率的煙樣、樣品測(cè)定的密度都會(huì)影響近紅外光譜分析預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。所以，煙草及煙草制品中總氮含量單一指標(biāo)的測(cè)定，一般使用常規(guī)化學(xué)分析法，采用近紅外光譜進(jìn)行在線的煙葉水分及快速、簡(jiǎn)單測(cè)定多種主要化學(xué)成分是近紅外光譜技術(shù)在煙草行業(yè)今后的發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)，采用近紅外光譜技術(shù)輔助進(jìn)行煙葉分類(lèi)、分級(jí)、煙葉打葉復(fù)烤和卷煙生產(chǎn)過(guò)程中質(zhì)量控制很有意義。

2 凱氏定氮法

凱氏法測(cè)定總氮含量穩(wěn)定可靠，但步驟較為繁瑣，測(cè)定效率較低。針對(duì)這種情況，在連續(xù)流動(dòng)的理論出現(xiàn)以后，煙草行業(yè)進(jìn)行了很多連續(xù)流動(dòng)法研究工作[7-9]。連續(xù)流動(dòng)法具有簡(jiǎn)便、易操作等優(yōu)點(diǎn)，但顯色反應(yīng)易受環(huán)境因素影響，有報(bào)道稱(chēng)該方法與經(jīng)典凱氏定氮法有一定偏差[9]，也有報(bào)道采用優(yōu)化后的消化方法對(duì)煙草樣品進(jìn)行消化，離子色譜法將總氮以NH4+態(tài)直接測(cè)定[11]。

1995年煙草行業(yè)就開(kāi)始進(jìn)行用連續(xù)流動(dòng)法測(cè)定煙草中總氮含量的方法標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，“煙草及煙草制品總氮的測(cè)定連續(xù)流動(dòng)法”[11]已于2002年發(fā)布實(shí)施。連續(xù)流動(dòng)法的消化步驟采用經(jīng)典的凱氏法。2001年，崔婭等[9]優(yōu)化了測(cè)定煙草總氮的條件，優(yōu)化后的消化條件為：稱(chēng)取0.1～0.2g煙粉，用0.40g硫酸銅、6.00g硫酸鉀和7.00mL濃硫酸先于180℃下消化1h，再于380℃下消化1～1.5h。2004年，彭麗娟等[12]采用正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了煙草中總氮測(cè)定消化條件的篩選，優(yōu)化后的消化條件為：稱(chēng)樣量0.3g、氧化汞用量0.1g、硫酸鉀用量1g、硫酸用量5mL。2011年，張志明等[13]采用正交設(shè)計(jì)研究煙草中總氮測(cè)定的消化條件，結(jié)果表明：消化條件對(duì)煙樣消化效應(yīng)的極差是，稱(chēng)樣量>硫酸>硫酸鉀>硫酸銅；稱(chēng)樣量、硫酸和硫酸鉀用量對(duì)煙樣消化效果表現(xiàn)顯著，硫酸銅用量不顯著；選用400℃，180min，稱(chēng)樣量0.3g、硫酸鉀3.0g、硫酸5mL、硫酸銅0.1g為最佳消化條件。采用經(jīng)典的凱氏法消化時(shí)間長(zhǎng)，且對(duì)樣品進(jìn)行消化時(shí)需加入強(qiáng)酸和催化劑，存在安全隱患，所以，煙草行業(yè)對(duì)煙草總氮測(cè)定的前處理方法一直在進(jìn)行優(yōu)化研究。2014年，俞飛[14]等使用過(guò)氧化氫替代劇毒的催化劑(氧化汞)進(jìn)行煙草及煙草制品中總氮測(cè)定，采用L16(54)正交設(shè)計(jì)研究消化條件，結(jié)果表明：過(guò)氧化氫可以替代氧化汞，能加速樣品消化完全并縮短消化時(shí)間，該方法測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確。

采用連續(xù)流動(dòng)法或離子色譜法測(cè)定煙草及煙草制品中總氮含量，均具有快速簡(jiǎn)便、重現(xiàn)性好等特點(diǎn)，適合大批量煙草樣品中總氮含量測(cè)定。但因連續(xù)流動(dòng)法和離子色譜法的樣品前處理均采用凱氏法消化，無(wú)論是采用劇毒的氧化汞萃取劑，還是采用過(guò)氧化氫替代氧化汞作為催化劑，消化過(guò)程均需加入濃硫酸，保持高溫1h以上，前處理方法仍存在安全隱患且效率不夠高。并且，經(jīng)典凱氏消化法無(wú)法將煙草樣品中的硝酸鹽和亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為銨鹽，易造成總氮含量測(cè)定結(jié)果較實(shí)際含量偏低。因此，測(cè)定煙草樣品，尤其是硝酸鹽和亞硝酸鹽含量較高的白肋煙樣品中總氮含量時(shí)，需測(cè)定樣品中硝酸鹽和亞硝酸鹽含量以提高測(cè)定準(zhǔn)確性。針對(duì)凱氏定氮法消化試劑用量大且危險(xiǎn)性較大、檢測(cè)效率較低等缺點(diǎn)，優(yōu)化凱氏法消化條件，采用無(wú)毒的催化劑，降低消化過(guò)程試劑用量及反應(yīng)劇烈程度，與連續(xù)流動(dòng)儀、離子色譜等技術(shù)聯(lián)用，提高方法效率，將是凱氏定氮法在煙草行業(yè)今后的發(fā)展趨勢(shì)。

3 杜馬斯燃燒法

杜馬斯燃燒法在非煙草植物樣品、食品、飼料、肥料中總氮測(cè)定方面有很多研究及應(yīng)用[15-21]。目前，采用杜馬斯燃燒法測(cè)定煙草及煙草制品中總氮含量的研究在行業(yè)內(nèi)研究較少，僅云南煙草科研院開(kāi)展了相關(guān)研究，尚未發(fā)現(xiàn)有其它單位文獻(xiàn)報(bào)道。王嵐[22]等采用杜馬斯定氮法測(cè)定了煙草及煙草制品中總氮含量，對(duì)杜馬斯燃燒法和連續(xù)流動(dòng)法進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，2種方法測(cè)定總氮含量的結(jié)果基本一致，該研究對(duì)氧氣流量和樣品稱(chēng)樣量進(jìn)行了選擇優(yōu)化，但研究?jī)?nèi)容仍需完善，缺少不同類(lèi)型樣品適用性、加標(biāo)回收率等研究。

杜馬斯燃燒定氮法具有分析速度快、自動(dòng)化程度高、環(huán)境污染少、結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，在食品、飼料、肥料等行業(yè)已形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，隨著煙草行業(yè)對(duì)總氮含量檢測(cè)方法效率和實(shí)驗(yàn)室安全的要求越來(lái)越高，研究杜馬斯燃燒定氮法對(duì)煙草及煙草制品的適用性，實(shí)現(xiàn)煙草及煙草制品中總氮含量的快速、準(zhǔn)確分析，推進(jìn)和建立杜馬斯燃燒定氮法在行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化工作將是杜馬斯燃燒法在煙草行業(yè)今后的發(fā)展趨勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，煙草行業(yè)對(duì)總氮含量測(cè)定進(jìn)行了大量的研究和探索，而且隨著相關(guān)研究的不斷深入和創(chuàng)新，總氮含量測(cè)定方法操作必將更簡(jiǎn)便，效率更高，更環(huán)保。總氮含量測(cè)定方法各有優(yōu)缺點(diǎn)及其適用范圍，近紅外光譜檢測(cè)技術(shù)適用于多種常規(guī)成分含量預(yù)測(cè)，發(fā)展趨勢(shì)為不同模型適用性及其在不同設(shè)備間的轉(zhuǎn)移，推進(jìn)近紅外光譜技術(shù)的在線使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)原料和產(chǎn)品的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；凱氏法和杜馬斯燃燒法均適用于實(shí)驗(yàn)室大批量樣品總氮含量準(zhǔn)確測(cè)定，凱氏法發(fā)展趨勢(shì)為前處理試劑用量更少、安全性更高，與其它儀器聯(lián)用，提高檢測(cè)效率和自動(dòng)化水平；杜馬斯燃燒法在煙草行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)為研究方法對(duì)不同類(lèi)型煙草樣品的適用性，推進(jìn)方法的標(biāo)準(zhǔn)化，使方法在實(shí)際檢測(cè)中得到推廣和使用。