梁秋菊,王志國*,杜 文,劉 巍,尹新強(qiáng),盧紅梅
(1.湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心,長沙 410007; 2.中南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,長沙 410083)
煙草及煙草制品主要包括傳統(tǒng)卷煙和新型卷煙等,新型卷煙即加熱不燃燒卷煙,是通過加熱源對煙絲或煙草提取物進(jìn)行加熱,煙草物質(zhì)并不燃燒,將香味成分和尼古丁等揮發(fā)出來滿足吸食者的需求[1],有研究表明,其釋放的有害成分較傳統(tǒng)卷煙低[2-3]。煙草材料的含水率是其重要質(zhì)量指標(biāo),會影響煙草材料的物理性能和內(nèi)在品質(zhì)等[4-5]。1,2-丙二醇和丙三醇常用作新型卷煙材料的霧化劑,其含量將直接影響卷煙的煙氣釋放和感官評價(jià)[6-8]。煙堿是煙草制品的關(guān)鍵活性成分,煙草制品中煙堿含量與產(chǎn)品的勁頭、生理感受、刺激性等密切相關(guān)。準(zhǔn)確測定煙草及煙草制品中水分、1,2-丙二醇、丙三醇和煙堿等主要成分的含量對其產(chǎn)品開發(fā)和質(zhì)量監(jiān)控有重大意義。
目前煙草行業(yè)內(nèi)測定煙草含水率的方法主要有烘箱法[9]、卡爾費(fèi)休滴定法[10]、氣相色譜法[11]、微波法[12]、近紅外光譜法[13-14]、低場核磁共振法[15]等。測定1,2-丙二醇和丙三醇含量的方法主要有氣相色譜法[16-17]、液相色譜法[18]和拉曼光譜法[19]等。測定煙堿含量的方法主要有近紅外光譜法[20]、液相色譜法[21]和氣相色譜法[22-24]等。以上針對煙草及煙草制品中水分、1,2-丙二醇、丙三醇和煙堿的檢測方法中,樣品制備時(shí)常需要烘烤或研磨,影響測定結(jié)果的準(zhǔn)確度;前處理耗時(shí)長,4種成分需要分類處理。用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法YC/T 246-2008《煙草及煙草制品 煙堿的測定 氣相色譜法》、YC/T 345-2010《煙草及煙草制品 水分的測定 氣相色譜法》和YC/T 243-2008《煙草及煙草制品1,2-丙二醇、丙三醇的測定 氣相色譜法》進(jìn)行測定時(shí),樣品也需經(jīng)液氮冷凍破碎或粉碎處理,并且振蕩萃取需2~3 h,費(fèi)時(shí)耗力。如何得到準(zhǔn)確有效的測定結(jié)果,如何在短時(shí)間內(nèi)快速完成對各種煙草及煙草制品中水分、1,2-丙二醇、丙三醇和煙堿的同時(shí)前處理和檢測,成為分析工作者需要解決的問題。
文獻(xiàn)[28]采用氣相色譜-熱導(dǎo)檢測器(TCD)法實(shí)現(xiàn)對加熱不燃燒卷煙煙草材料中水分、1,2-丙二醇、丙三醇和煙堿的同時(shí)測定,但樣品需要研磨處理,容易造成水分、1,2-丙二醇和丙三醇的損失,使得測定結(jié)果不準(zhǔn)確;采用振蕩萃取的前處理方法,耗時(shí)長;另外該研究測試的是游離煙堿的含量而非總煙堿的含量。介質(zhì)碰撞萃取是近幾年發(fā)展起來的一種前處理技術(shù),廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究中[25-27],其工作原理是利用高碰撞力、高剪切力的碰撞介質(zhì)與待測樣品在機(jī)械力的作用下進(jìn)行高頻撞擊,將待測樣品破碎為極小的顆粒,在合適的萃取劑環(huán)境中將目標(biāo)物高效地提取出。
本工作采用介質(zhì)碰撞快速萃取,結(jié)合氣相色譜法,實(shí)現(xiàn)了對煙草及煙草制品中水分、1,2-丙二醇、丙三醇和煙堿等4種主要成分的同時(shí)前處理和測定,用時(shí)短,旨在為煙草及煙草制品中主要成分的快速檢測提供參考。
7890B型氣相色譜儀,配TCD、氫火焰檢測器(FID)和7693 A型雙塔進(jìn)樣器;PROX型掃描電子顯微鏡;Fastprep-24型介質(zhì)碰撞萃取儀,碰撞介質(zhì)M(?6.350 mm柱形陶瓷珠);Milli-Q50型 超 純 水儀;0.22μm有機(jī)系濾膜。
萃取劑:含有6.5 g·L-1異丙醇(水分的內(nèi)標(biāo))、2.5 g·L-11,4-丁二醇(1,2-丙二醇和丙三醇的內(nèi)標(biāo))和4.0 g·L-1正十七烷(煙堿的內(nèi)標(biāo))的體積比為100∶15的甲醇-三乙胺混合液。
水分標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液:20.00 g·L-1,稱取1.000 0 g超純水于50 mL容量瓶中,用萃取劑定容,配制成質(zhì)量濃度為20.00 g·L-1的水分標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液。
水分標(biāo)準(zhǔn)溶液系列:分別移取0,0.2,0.4,0.8,1.2,2.0,3.0,4.0,5.0 mL水分標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液于9個10 mL容量瓶中,用含內(nèi)標(biāo)異丙醇的甲醇溶液定容,配制成水分質(zhì)量濃度分別為0,0.40,0.80,1.60,2.40,4.00,6.00,8.00,10.00 g·L-1,內(nèi)標(biāo)異丙醇質(zhì)量濃度為6.5 g·L-1的水分標(biāo)準(zhǔn)溶液系列。
1,2-丙二醇、丙三醇和煙堿的混合標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液:10.00 g·L-1,準(zhǔn)確稱取1,2-丙二醇、丙三醇和煙堿各0.500 0 g于50 mL容量瓶中,用萃取劑定容,配制成質(zhì)量濃度為10.00 g·L-1的1,2-丙二醇、丙三醇和煙堿的混合標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液。
1,2-丙二醇、丙三醇和煙堿的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液系列:分 別 移 取0,0.1,0.2,0.5,1.0,2.0,3.0,5.0 mL 1,2-丙二醇、丙三醇和煙堿的混合標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液于8個10 mL容量瓶中,用含內(nèi)標(biāo)1,4-丁二醇、正十七烷的甲醇溶液定容,配制成1,2-丙二醇、丙三醇和煙堿的質(zhì)量濃度分別為0,0.10,0.20,0.50,1.00,2.00,3.00,5.00 g·L-1,內(nèi)標(biāo)1,4-丁二醇質(zhì)量濃度為2.5 g·L-1,正十七烷質(zhì)量濃度為4.0 g·L-1的1,2-丙二醇、丙三醇和煙堿的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液系列。
1,2-丙二醇、丙三醇、異丙醇、1,4-丁二醇的純度不小于99.0%;正十七烷的純度不小于99.5%;甲醇為色譜純;試驗(yàn)用水為屈臣氏純凈水。
卷煙煙絲、卷煙煙葉片、煙草薄片a、煙草薄片b、煙草薄片c、煙草薄片d來自湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司;IQOS薄片絲、Glo薄片絲來自國外某煙草公司。
測定水分時(shí)采用HP-PLOT/Q色譜柱(30 m×0.53 mm,40μm),測定1,2-丙二醇、丙三醇和煙堿時(shí)采 用Rtx@-BAC1色 譜 柱(30 m×0.32 mm,1.8μm);進(jìn)樣口溫度250℃;進(jìn)樣量1μL;分流進(jìn)樣,分流比50∶1;載氣為氮?dú)?流量1.8 mL·min-1;水分采用TCD檢測,1,2-丙二醇、丙三醇和煙堿采用FID檢測,檢測器溫度275℃;氫氣流量40 mL·min-1,空氣流量450 mL·min-1;尾吹氣為氮?dú)?流量25 mL·min-1。柱升溫程序:初始溫度90℃,保持1 min;以速率15℃·min-1升溫至120℃;以 速 率40℃·min-1升溫 至240℃,保 持4 min。
從測試樣品(煙葉片、煙絲、薄片或薄片絲等煙草及煙草制品)中隨機(jī)抽取約10 g樣品,充分混勻。稱取樣品0.400 0 g,不需要破碎處理(減少了研磨等操作過程中的水分損失和物質(zhì)變化),置于15 mL含碰撞介質(zhì)M的具塞離心管中,加入10 mL萃取劑,室溫處理2 min(線速率為4 m·s-1),靜置3 min,取上清液(可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適度稀釋)過0.22μm有機(jī)系濾膜后進(jìn)行氣相色譜分析,介質(zhì)碰撞萃取同時(shí)處理的樣品數(shù)量為12個。
按照儀器工作條件對3.00 g·L-1的水分標(biāo)準(zhǔn)溶液和2.00 g·L-1的1,2-丙二醇、丙三醇和煙堿的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行測定,其色譜圖如圖1所示。
圖1 典型色譜圖Fig.1 Typical chr o matogra ms
試驗(yàn)中采用的介質(zhì)碰撞萃取儀是一種機(jī)械處理設(shè)備,處理時(shí)間短,放熱量小。煙草制品在利用介質(zhì)碰撞萃取處理前后的變化如圖2所示。
圖2 煙草制品在介質(zhì)碰撞萃取前后的變化Fig.2 Change of tobacco products before and after mediu m collision extraction
2.2.1 萃取劑
在煙草薄片質(zhì)量為1 g,處理線速率為4 m·s-1,萃取時(shí)間為1 min,料液比[質(zhì)量體積比,m(g)∶V(mL),下同]為1∶10的條件下,分別以甲醇、乙醇、異丙醇為萃取劑,試驗(yàn)比較了3種萃取劑對水分、1,2-丙二醇、丙三醇和煙堿的萃取效率,結(jié)果見圖3。
由圖3可知:甲醇、乙醇對水分和1,2-丙二醇的萃取效率優(yōu)于異丙醇,兩種溶劑的萃取效率差異不大;而甲醇對丙三醇和煙堿的萃取效率優(yōu)于乙醇。因此,將甲醇選為萃取劑。
圖3 萃取劑對水分、1,2-丙二醇、丙三醇和煙堿萃取效率的影響Fig.3 Effect of extraction solvents on extraction efficiency of moist ure,1,2-propylene glycol,glycerol and nicotine
選取某煙草薄片樣品利用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法YC/T 246-2008中推薦的甲基叔丁基醚法進(jìn)行前處理操作及測定,分別進(jìn)行加堿液處理與不加堿液處理,其他操作相同。結(jié)果表明:加堿液處理的樣品中煙堿的測定結(jié)果(5.51 mg·g-1)明顯高于不加堿液處理直接進(jìn)行萃取的樣品中煙堿的測定結(jié)果(2.23 mg·g-1)。由此可見,煙草薄片中的煙堿并不都是以游離態(tài)的形式存在的,須進(jìn)行加堿液處理,將煙堿全部釋放出來后再進(jìn)行測定。
要實(shí)現(xiàn)煙草及煙草制品中水分、1,2-丙二醇、丙三醇和煙堿的同時(shí)萃取,不能用氫氧化鈉溶液進(jìn)行酸度調(diào)節(jié),試驗(yàn)選用堿性較強(qiáng)的有機(jī)堿三乙胺。進(jìn)一步考察了不同體積比的甲醇-三乙胺混合液萃取下水分、1,2-丙二醇、丙三醇和煙堿的測定結(jié)果,如表1所示。
表1 不同體積比的甲醇-三乙胺混合液萃取下水分、1,2-丙二醇、丙三醇和煙堿的測定結(jié)果Tab.1 Deter mination results of moisture,1,2-propylene glycol,glycerol and nicotine extracted by the mixture of methanol-triethylamine at different volume ratios
結(jié)果表明:三乙胺的有無及用量多少對水分、1,2-丙二醇和丙三醇的測定結(jié)果影響不大;而隨著三乙胺體積占比的增大,煙堿測定結(jié)果逐步增大,當(dāng)甲醇和三乙胺的體積比為100∶15時(shí)煙堿測定結(jié)果幾乎不再變化。因此,試驗(yàn)選擇甲醇與三乙胺的體積比為100∶15。
2.2.2 料液比
試驗(yàn)考察了不同的料液比(1∶10、0.5∶10、0.4∶10、0.3∶10)對水分、1,2-丙二醇、丙三醇和煙堿萃取效果的影響,結(jié)果如表2所示。
表2 料液比對各組分測定結(jié)果的影響Tab.2 Effect of material liquid r atio on deter mination result of each component
結(jié)果顯示,料液比對水分測試結(jié)果影響不大,而1,2-丙二醇、丙三醇和煙堿的測試結(jié)果隨料液比的減小而增大,在料液比為0.4∶10時(shí)趨于穩(wěn)定。因此,試驗(yàn)選擇料液比為0.4∶10。
2.2.3 萃取程序
對某一煙草薄片在采用不同線速率和處理時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn):當(dāng)處理時(shí)間為1 min時(shí),將線速率由4 m·s-1逐步增大到6.5 m·s-1,水分、1,2-丙二醇和丙三醇的測定含量均無明顯變化;當(dāng)線速率為4 m·s-1,逐漸延長處理時(shí)間到3 min時(shí)發(fā)現(xiàn),水分的含量幾乎沒有變化,1,2-丙二醇、丙三醇和總煙堿的含量在處理時(shí)間為2 min時(shí)略有升高,繼續(xù)延長處理時(shí)間測定結(jié)果變化不大,如表3所示。因此,試驗(yàn)最終確定介質(zhì)碰撞萃取的最優(yōu)程序:線速率4 m·s-1,處理時(shí)間2 min。
表3 處理時(shí)間對各組分測定結(jié)果的影響Tab.3 Effect of treat ment ti me on deter mination result of each component
按照儀器工作條件分別對水分標(biāo)準(zhǔn)溶液系列和1,2-丙二醇、丙三醇和煙堿的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液系列進(jìn)行測定。以各目標(biāo)物質(zhì)量濃度與內(nèi)標(biāo)質(zhì)量濃度的比值為橫坐標(biāo),各目標(biāo)物峰面積與內(nèi)標(biāo)峰面積的比值為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,得到目標(biāo)物的線性范圍、線性回歸方程和相關(guān)系數(shù),見表4。
將最低濃度水平標(biāo)準(zhǔn)溶液連續(xù)進(jìn)樣10次,以測定值的3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差(s)作為檢出限(3s),10倍標(biāo)準(zhǔn)偏差作為測定下限(10s),結(jié)果如表4所示。
表4 線性參數(shù)、檢出限和測定下限Tab.4 Linearity para meters,detection limits and lower limits of deter mination
按照試驗(yàn)方法對同一加熱不燃燒卷煙的煙草薄片樣品進(jìn)行6次平行測定,隨后在第0,2,4,6,8,10,12,14 d分別對該樣品進(jìn)行取樣檢測,計(jì)算日內(nèi)、日間精密度試驗(yàn)測定值的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)。結(jié)果顯示:水分、1,2-丙二醇、丙三醇和煙堿的日內(nèi)精密度RSD分別為1.7%,2.6%,2.9%,1.6%,日間精密度RSD分別為3.9%,2.7%,3.7%,1.8%。說明本方法穩(wěn)定,精密度高。
同一煙草薄片樣品取3份,分別添加低、中、高等3個濃度水平,每個濃度水平下重復(fù)測定3次,對加標(biāo)后的樣品進(jìn)行介質(zhì)碰撞萃取和氣相色譜分析,計(jì)算回收率,結(jié)果如表5所示。
表5 回收試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Results of test for recovery
結(jié)果顯示,水分、1,2-丙二醇、丙三醇和煙堿的回收 率分 別為95.6%~100%,95.6%~99.4%,95.2%~100%和96.5%~100%,均 在GB/T 27417-2017《合格評定化學(xué)分析方法確認(rèn)和驗(yàn)證指南》允許的范圍內(nèi)(95.0%~105%),說明方法的準(zhǔn)確度較高。
2.5.1 烘箱法與本方法測定水分的結(jié)果比對
分別采用本方法和YC/T 31-1996《煙草及煙草制品 試樣的制備及水分的測定 烘箱法》對卷煙煙葉片、卷煙煙絲和煙草薄片樣品中的水分進(jìn)行測定,結(jié)果如表6所示。
表6 烘箱法和本方法測定水分的結(jié)果比對Tab.6 Comparison of deter mination results of moisture between ovenmethod and this method
結(jié)果顯示:兩種方法在測定傳統(tǒng)卷煙煙絲和煙葉片中水分含量時(shí)差別不大,但是烘箱法測定煙草薄片中水分的含量明顯偏高。這是由于煙草薄片中含有大量的發(fā)煙介質(zhì)1,2-丙二醇和丙三醇等,在利用烘箱法測水分時(shí)被計(jì)入,導(dǎo)致結(jié)果偏高,說明烘箱法已經(jīng)不適用于煙草薄片中水分的測定。
2.5.2 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法與本方法的比對
采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法和本方法對不同類型的煙草及煙草制品進(jìn)行前處理和測定,結(jié)果見表7。
表7 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法與本方法的結(jié)果比對Tab.7 Comparison of the results between industry standar d met hods and t his method
結(jié)果表明:煙葉片、煙絲和不同類型的煙草薄片中水分、1,2-丙二醇、丙三醇和煙堿的含量各不相同,分 別 為6.08%~12.58%,0.28%~0.53%,0.16%~18.98%和2.74~18.15 mg·g-1;新型卷煙材料中丙三醇的含量明顯高于傳統(tǒng)卷煙;本方法測定水分、1,2-丙二醇和丙三醇的結(jié)果高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法,可能由于傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)方法在研磨或者剪切過程中各目標(biāo)物會有損失;本方法測定煙堿的結(jié)果大部分低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法,可能由于水分的測定結(jié)果影響了煙堿含量的計(jì)算。
本方法中介質(zhì)碰撞萃取方法(2 min)相比行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的前處理方法(每種組分振蕩萃取2~3 h)優(yōu)勢明顯,用掃描電子顯微鏡分別觀察煙絲在兩種方法處理前后的微觀變化,如圖4所示。
圖4 煙絲處理前后的微觀大小變化Fig.4 Change of micro size of cut tobacco before and after treat ment
結(jié)果表明,介質(zhì)碰撞萃取處理后煙絲變?yōu)椴淮笥?0μm的顆粒,而振蕩萃取在處理前后看不出明顯變化。在優(yōu)化的前處理?xiàng)l件下,利用介質(zhì)碰撞萃取高效的裂解作用,大大增加了單位質(zhì)量的待測煙草制品與萃取劑的接觸面積,使得目標(biāo)物的溶出加快,提高了萃取效率,萃取可在短時(shí)間內(nèi)完成。
本工作采用介質(zhì)碰撞萃取處理樣品,用氣相色譜法同時(shí)測定多種類型煙草制品中水分、1,2-丙二醇、丙三醇和煙堿的含量。方法中樣品不需要額外研磨粉碎處理,省時(shí)、快速、簡便、高效,靈敏度高,重復(fù)性好,測定準(zhǔn)確,可為新型煙草制品質(zhì)量評價(jià)和監(jiān)控提供技術(shù)支持。