靜態頂空-氣相色譜質譜法測定煙絲膨脹介質的殘留

惠非瓊，楊 超，姬厚偉,蔣惠智，楊敬國，龐紅蕊，王 芳，黃錫娟，劉 劍

(貴州中煙工業有限責任公司技術中心，貴州 貴陽 550009)

近年來，隨著煙草行業“降焦減害”和“降本增效”工作的推進，膨脹煙絲和梗絲的使用量也越來越高，主要是由于膨脹煙絲或梗絲具有填充能力強[1-2]、燃燒性能好[3-4]和降焦減害效果明顯[5-6]等優點，其在卷煙配方中的使用既可降低卷煙單箱煙絲消耗量，又可降低卷煙的焦油釋放量，因此，煙草膨脹技術一直是煙草行業的重點研究領域之一，國內外研究人員紛紛對煙草膨脹工藝技術和設備進行深入研究，新技術、新工藝不斷涌現，使其已成為卷煙制造過程中的重要組成部分[7-8]。目前，傳統的氟利昂(CFCs)煙絲膨脹法已被淘汰，干冰膨脹法使用最為成熟，蒸汽膨脹[9-10]和微波膨脹[11-12]等新型膨脹技術也被開發利用。國內外使用的煙草膨脹主要有蒸汽、干冰、液氮及SP 系列的煙絲膨脹劑KC-2等[13-14]，KC-2煙絲膨脹劑主要成分是二氯一氟乙烷。卷煙生產中發現，新型膨脹介質KC-2應用于煙絲膨脹中時，存在介質殘留問題，而介質殘留直接影響卷煙的吸食品質。因此，建立快速、準確的檢測煙絲中膨脹介質殘留的分析方法具有重要意義，可指導工藝改進，減少膨脹后煙絲介質的殘留。

膨脹介質KC-2是一種良好的煙絲膨脹劑，經其膨脹的煙絲色澤鮮亮、體態飽滿。KC-2作為煙絲新型膨脹介質使用，對其殘留檢測尚未報道。基于介質KC-2無色透明、低沸點和易揮發的理化性質，適于氣相色譜分析[15]。而作為目前易揮發、低沸點化合物的檢測使用最多的靜態頂空分析(static headspace，SHS)，其原理是對處于已達到平衡的密閉容器中液體或固體樣品的頂空氣體進行分析，該方法因其快速、高效、無需復雜的樣品前處理，近年來已在食品、環境和藥物等多個分析領域得到廣泛應用[16-17]。目前，還未見靜態頂空-氣相色譜質譜法測定煙絲膨脹介質殘留的研究報道。為此，將SHS與氣相色譜-質譜(GC-MS)相結合，建立其快速、高效和準確檢測煙絲中膨脹介質殘留檢測方法，為完善新型膨脹介質KC-2的工藝技術和提高卷煙吸食品質提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

膨脹煙絲樣品：由銅仁卷煙廠提供。

儀器：Perkin Elmer Clarus 600型氣相色譜/質譜聯用儀、Turbo Matrix 40 Trap自動頂空儀，PE公司。

試劑：環己烷(色譜純)，天津大茂化學試劑廠；新型膨脹介質KC-2(純度99%)，北京航天實驗技術研究所101所；玻璃器皿若干。

1.2 方法

1.2.1 樣品制備 稱取0.5 g 膨脹煙絲樣品(精確至0.001 g)于頂空瓶中，加入1 mL環己烷，迅速壓緊瓶蓋，放入頂空進樣器上用于GC-MS 測定。外標法定量。

1.2.2 靜態頂空分析條件 靜態頂空分析采用自動頂空儀進行。樣品平衡溫度60℃，循環溫度120℃，傳輸線溫度140℃；樣品平衡時間15 min；樣品瓶加壓壓力35 psi，載氣壓力40 psi；加壓時間2.0 min，充氣時間0.20 min；樣品平衡時間0.05 min，進樣時間0.1 min。

1.2.3 氣相色譜-質譜條件 1)氣相色譜。色譜柱為HP-PONA柱(50 m×0.2 mm×0.5 μm)，爐溫初始溫度40℃保持4 min，4℃/min 升至80℃，然后以20℃/min升至150℃保持5 min；進樣口溫度150℃；分流比50∶1；載氣為高純氦氣(純度≥99.999 %)，恒流模式；柱流量為0.8 mL/min。

2)質譜。EI電離能量70 eV；離子源溫度230℃，傳輸線溫度250℃；溶劑延遲時間0.2 min；掃描方式為全掃描，掃描范圍 29～400 aeu；選擇離子監測(SIM)，監測離子為61和81。

1.3 條件選擇與樣品測定

1.3.1 平衡時間和平衡溫度的選擇 根據頂空的特性和目標化合物的理化性質，選擇不同平衡溫度和不同平衡時間在色譜柱上進行試驗。

1)平衡時間。將70 μg/mL KC-2介質標準溶液1 mL加入未膨化的煙絲中，在60℃平衡溫度下選擇10 min、15 min、20 min和30 min不同平衡時間進行測定。

2)平衡溫度。將70 μg/mL KC-2A介質標準溶液1 mL加入到未膨化的煙絲中，在15 min平衡時間下選擇40℃、50℃、60℃和80℃不同平衡溫度進行測定。

1.3.2 基質校正劑的選擇 為了準確地進行定量分析，選擇定量分析樣品與標準溶液具有相同的基質，可以有效地消除樣品的基質效應[13]。試驗考察甲醇、正己烷、乙酸乙酯和環己烷4種有機溶劑作為基質校正劑對分析結果的影響。

1.3.3 色譜及質譜條件的選擇 根據分析目標物的理化性質和相關文獻資料[16]，選擇目標化合物介質KC-2和膨脹煙絲樣品可得到較好分離基線色譜及質譜條件。

1.3.4 工作曲線及檢出限 分別量取5 μL、10 μL、20 μL、50 μL、100 μL和150 μL KC-2介質標準溶液于1 mL環己烷溶劑中配制系列標準溶液，其質量濃度分別為3.5 μg/mL、7.0 μg/mL、14 μg/mL、35 μg/mL、70 μg/mL和105 μg/mL，并分別加入0.5 g未膨化的煙絲。分別對7個不同濃度的標準溶液進行靜態頂空-GC/MS分析，并以KC-2介質色譜峰面積為縱坐標與其相應質量濃度X(μg/mL)為橫坐標進行回歸分析。

1.3.5 回收率及重復性 稱取0.5 g未膨脹煙絲(介質KC-2含量為0)，分別加入1 mL濃度為5.0 μg/mL、10.0 μg/mL和20.0 μg/mL的標準溶液，按試驗設定方法進行靜態頂空-GC/MS分析，每個濃度平行試驗6次，并根據測定量、加標量和原含量計算回收率。

1.3.6 樣品介質殘留量的測定

1)恒溫恒濕存放不同時間。將膨脹煙絲樣品在22℃及60%相對濕度恒溫恒濕環境下存放1 d、3 d、4 d、5 d和10 d后檢測煙用介質KC-2的殘留量。

2)烘烤時間。將膨脹煙絲樣品分別置于25℃和30℃烘箱中烘烤0、0.5 h、1.0 h和2.0 h后考察煙用介質KC-2的殘留量。因40℃和50℃處理煙絲造碎嚴重，不利于后期利用，故不考慮這2個溫度。

1.4 數據處理

采用Excel 2010和SPSS 19.0處理數據及統計分析。

2 結果與討論

2.1 平衡時間和平衡溫度的選擇

從圖1看出，將70 μg/mL KC-2介質標準溶液1 mL加入到未膨化的煙絲中，在試驗條件下，介質KC-2響應色譜圖峰面積平衡時間10～15 min呈上升趨勢，15～20 min呈下降趨勢，20～30 min變化較小。可能是因為介質KC-2沸點較低易揮發，因此相對平衡時間影響較小。試驗色譜程序升溫時間為21.5 min，為使樣品充分平衡，選擇15 min為平衡時間。將70 μg/mL KC-2介質標準溶液1 mL加入到未膨化的煙絲中，在試驗條件下，隨著平衡溫度的提高，KC-2介質峰面積逐漸增大，在40～60℃增速稍小，而在60～80℃增速明顯。考慮到該方法旨在檢測常溫下膨脹煙絲中膨脹介質KC-2的殘留量，且介質KC-2沸點低，兼顧樣品介質KC-2充分揮發，提高方法靈敏度及減少樣品基質干擾的要求，選擇60℃為平衡溫度。

圖1 頂空平衡時間與溫度下的峰面積Fig.1 Peak area versus to headspace equilibrium time and temperature

2.2 基質校正劑的選擇

頂空氣體中各組分的含量既與其本身的揮發性有關，又與樣品基質有關，尤其是那些在樣品基質中溶解度大(分配系數大)的組分，基質效應更為明顯，即頂空氣體的組成與原樣品中的組成不同，這對定量分析的不良影響尤為嚴重。甲醇、正己烷和乙酸乙酯沸點分別為64.5℃、68.7℃和77.0℃，這幾種溶劑出峰時間和介質KC-2較為接近，影響介質準確定量，不適合作為介質KC-2的基質校正劑。環己烷沸點為80.0℃，且是一種較好的親水試劑，可溶解KC-2介質，使得樣品均勻分散于基質溶劑中，從而使定量結果更為準確，因此選擇環己烷作為基質溶劑。

2.3 色譜和質譜條件的選擇

從圖2看出，在試驗條件下，色譜分離柱選擇HP-PONA(50 m×0.2 mm×0.5 μm)，質譜監測目標離子(m/z)和輔助定量離子(m/z)選擇81和61，介質KC-2在5.06 min時即可得到較好的基線分離，膨脹煙絲樣品在5.07 min時即可得到較好的基線分離，初始爐溫和程序升溫優化的整個分離過程在21.5 min即可完成。因此，色譜分離柱選擇HP-PONA，質譜監測目標離子(m/z)和輔助定量離子(m/z)分別選擇81和61。

圖2 介質KC-2(a)和膨脹煙絲樣品(b)的選擇離子色譜Fig.2 Selected ion chromatography of medium KC-2(a)and expanded tobacco sample(b)

2.4 工作曲線、檢出限、回收率及重復性

在試驗條件下，不同濃度標準溶液靜態頂空-GC/MS分析的回歸方程Y=1 741.89X(r2=0.999 9)。以3倍信噪比(S/N≥3)計算出檢出限為0.03 μg/mL，表明方法具有較好的線性關系及較低的檢出限，能夠滿足樣品的定量分析。從表1可知，介質KC-2的回收率99%～109%，說明方法的準確性較高；介質KC-2的相對標準偏差為0.3%～1.6%，小于5%，說明方法的重復性較好。

表1 膨脹煙絲樣品中介質 KC-2的回收率和重復性(n=6)Table 1 Recovery and repeatability of KC-2 in expanded cut tobacco samples(n=6)

2.5 恒溫恒濕下存放不同時間后膨脹煙絲樣品中介質KC-2的殘留量

從表2可知，在22℃和60%相對濕度的恒溫恒濕下經過1 d、3 d、4 d、5 d、10 d的恒溫恒濕處理后，膨脹煙絲樣品中煙用介質KC-2的殘留量分別4.68 μg/g、4.21 μg/g、2.73 μg/g、1.89 μg/g和0.72 μg/g，分別較CK下降28.7%、35.8%、58.4%、71.2%和89.0%。處理10 d，膨脹煙絲中的介質含量下降率最大，且10 d后，膨脹煙絲樣品中煙用介質KC-2的殘留量趨于穩定。因此，在實際生產中，建議恒溫恒濕環境下儲藏存放5 d左右較為合適，使得膨脹煙絲中介質殘留量最小化，同時又不影響卷煙生產使用。

表2 恒溫恒濕(22℃和 60%相對濕度)下膨脹煙絲樣品中介質KC-2的殘留量
Table 2 Residue of KC-2 in expanded cut tobacco samples at 22℃ and relative humidity of 60%

時間/dTimeKC-2/(μg /g)下降率/%Decreasing rate0(CK)6.56014.6828.734.2135.842.7358.451.8971.2100.7289.0

2.6 烘烤不同時間后膨脹煙絲樣品中介質KC-2的殘留量

從表3看出，25℃下烘箱中烘烤0.5 h、1.0 h和2.0 h膨脹煙絲樣品中介質KC-2的殘留量分別為16.56 μg/g、14.05 μg/g和10.71 μg/g，較CK分別下降16.2%、28.9%和45.8%；30℃下烘箱中烘烤0.5 h、1.0 h和2.0 h膨脹煙絲樣品中介質KC-2的殘留量分別為5.56 μg/g、5.28 μg/g和2.81 μg/g，較CK分別下降71.8%、73.3%和85.8%。30℃時膨脹煙絲樣品中介質KC-2殘留量的下降率較25℃高，該溫度下烘2 h煙絲中膨脹介質KC-2殘留量下降率最高，較CK下降85.8%。表明，溫度對介質殘留量的影響較大。因此，在實際生產工藝中，在滿足感官質量需求的前提下，可以在工藝線上膨脹煙絲出口處和輸送到儲絲房間增加一個加熱環節和回潮環節，溫度30℃，時間15～30 min，既能加快介質釋放，又保持煙絲水分，同時大大縮短在恒溫恒濕環境下儲藏存放時間，提高膨脹煙絲使用周期。

表3 不同溫度烘烤不同時間膨脹煙絲樣品中介質KC-2的殘留量
Table 3 Residue of KC-2 in expanded cut tobacco samples after baking at different temperature and time

時間/hTime25℃ KC-2/(μg /g)下降率/%30℃KC-2/(μg /g)下降率/%0(CK)19.75019.7500.516.5616.25.5671.81.014.0528.95.2873.32.010.7145.82.8185.8

3 小結

研究結果表明，煙絲膨脹介質KC-2殘留的靜態頂空-氣相色譜質譜測定方法，樣品前處理操作簡便、重復性好、準確性高和快速靈敏，適于膨脹煙絲中膨脹介質KC-2殘留量的測定。并考察了膨脹煙絲儲存條件(溫度和時間)對其介質殘留量的影響。在膨脹煙絲儲存過程中，22℃和60%相對濕度恒溫恒濕條件下，存放1 d、3 d、4 d、5 d和10 d后，膨脹煙絲樣品中煙用介質KC-2的殘留量分別較CK下降28.7%、35.8%、58.4%、71.2%和89.0%；當處理5 d和10 d后，介質KC-2的殘留量下降率較大，結合生產需求和節約生產成本的要求，建議在實際生產中可以選擇將膨脹煙絲樣品在22℃和60%相對濕度的恒溫恒濕條件下處理5 d后使用。研究還發現，經烘箱烘烤后膨脹煙絲樣品中介質KC-2含量下降較快，30℃時膨脹煙絲樣品中介質KC-2殘留量下降率較25℃高，溫度對介質殘留量的影響較大。因此，在實際生產中，在滿足感官質量需求的前提下，建議生產部門可以在工藝線上膨脹煙絲出口處和輸送到儲絲房間的環節中增加一個加熱和回潮環節，加熱溫度30℃，時間15～30 min，既能加快介質釋放，又能保持煙絲水分，同時大大縮短在恒溫恒濕環境下儲藏存放的時間，提高膨脹煙絲的利用率。