煙草及煙草制品中總氮測定方法研究進(jìn)展

朱春暉 索衛(wèi)國 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程中，形成的煙氣顯堿性，給人以辣、刺、苦的感覺。為了使煙氣吃味醇和，無辣、刺、苦的感覺，應(yīng)保證煙氣酸堿適度，必須使煙絲中的糖氮比合適。因此，總氮含量的測定對鑒別煙質(zhì)好壞具有一定意義，是煙草化學(xué)分析的常規(guī)檢測項目。本文從煙草及煙草制品中總氮測定方法種類和發(fā)展前景等方面對煙草及煙草制品中總氮測定方法研究進(jìn)行了綜述。煙草中總氮的測定就是將煙草中各種含氮化合物中的總氮含量檢測出來，總氮的測定常用的方法主要有2類：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，又分為消化后測銨和燃燒后測氮，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)計的方法在樣品待測屬性值與近紅外光譜數(shù)據(jù)之間建立一個關(guān)聯(lián)模型(或稱校正模型)。因此在對未知樣品進(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)開始應(yīng)用于中國煙草行業(yè)總氮含量測定[2]。

在煙草及煙草制品中多種常規(guī)化學(xué)成分含量測定中應(yīng)用較多，2009年，王維妙等[3]以100個有代表性的再造煙葉樣品作為模型校正集，15個樣品為驗證集，通過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，并對模型的預(yù)測效果和重復(fù)性進(jìn)行評價，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)行測定，然后對6種常規(guī)化學(xué)成分進(jìn)行近紅外光譜分析，通過化學(xué)分析法和近紅外光譜分析法的分析比較，驗證近紅外定量分析模型的預(yù)測能力，結(jié)果顯示，6種常規(guī)化學(xué)成分預(yù)測結(jié)果的平均相對偏差均在3%左右，達(dá)到經(jīng)典化學(xué)分析方法要求的平行實驗的精密度。2012年，陳萍等[5]應(yīng)用近紅外光譜法預(yù)測云南香料煙的總糖、還原糖和總氮，以250份樣品作為建模樣品，41份作為驗證樣品，結(jié)果顯示，近紅外光譜法與連續(xù)流動法之間差異不顯著。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，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，并用實際樣品對模型進(jìn)行了驗證，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)流動法)所測值不存在顯著差異。

近紅外檢測技術(shù)具有快速高效、不消耗化學(xué)藥品、可同時測試多項指標(biāo)等優(yōu)點，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，模型初建時標(biāo)樣選擇、數(shù)量及其設(shè)計也影響到預(yù)測的準(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)計也影響定標(biāo)的準(zhǔn)確性。對于成分含量間相關(guān)性強(qiáng)的被測成分可根據(jù)同套樣品進(jìn)行定標(biāo)，對相關(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)效果及檢驗準(zhǔn)確性。另外，不同溫度、不同含水率的煙樣、樣品測定的密度都會影響近紅外光譜分析預(yù)測的準(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、簡單測定多種主要化學(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。同時，采用近紅外光譜技術(shù)輔助進(jìn)行煙葉分類、分級、煙葉打葉復(fù)烤和卷煙生產(chǎn)過程中質(zhì)量控制很有意義。

2 凱氏定氮法

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

1995年煙草行業(yè)就開始進(jìn)行用連續(xù)流動法測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定連續(xù)流動法”[11]已于2002年發(fā)布實施。連續(xù)流動法的消化步驟采用經(jīng)典的凱氏法。2001年，崔婭等[9]優(yōu)化了測定煙草總氮的條件，優(yōu)化后的消化條件為：稱取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]采用正交實驗進(jìn)行了煙草中總氮測定消化條件的篩選，優(yōu)化后的消化條件為：稱樣量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)計研究煙草中總氮測定的消化條件，結(jié)果表明：消化條件對煙樣消化效應(yīng)的極差是，稱樣量>硫酸>硫酸鉀>硫酸銅；稱樣量、硫酸和硫酸鉀用量對煙樣消化效果表現(xiàn)顯著，硫酸銅用量不顯著；選用400℃，180min，稱樣量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)典的凱氏法消化時間長，且對樣品進(jìn)行消化時需加入強(qiáng)酸和催化劑，存在安全隱患，所以，煙草行業(yè)對煙草總氮測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定，采用L16(54)正交設(shè)計研究消化條件，結(jié)果表明：過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間，該方法測定結(jié)果準(zhǔn)確。

采用連續(xù)流動法或離子色譜法測定煙草及煙草制品中總氮含量，均具有快速簡便、重現(xiàn)性好等特點，適合大批量煙草樣品中總氮含量測定。但因連續(xù)流動法和離子色譜法的樣品前處理均采用凱氏法消化，無論是采用劇毒的氧化汞萃取劑，還是采用過氧化氫替代氧化汞作為催化劑，消化過程均需加入濃硫酸，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，易造成總氮含量測定結(jié)果較實際含量偏低。因此，測定煙草樣品，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，需測定樣品中硝酸鹽和亞硝酸鹽含量以提高測定準(zhǔn)確性。針對凱氏定氮法消化試劑用量大且危險性較大、檢測效率較低等缺點，優(yōu)化凱氏法消化條件，采用無毒的催化劑，降低消化過程試劑用量及反應(yīng)劇烈程度，與連續(xù)流動儀、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。

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展了相關(guān)研究，尚未發(fā)現(xiàn)有其它單位文獻(xiàn)報道。王嵐[22]等采用杜馬斯定氮法測定了煙草及煙草制品中總氮含量，對杜馬斯燃燒法和連續(xù)流動法進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，2種方法測定總氮含量的結(jié)果基本一致，該研究對氧氣流量和樣品稱樣量進(jìn)行了選擇優(yōu)化，但研究內(nèi)容仍需完善，缺少不同類型樣品適用性、加標(biāo)回收率等研究。

杜馬斯燃燒定氮法具有分析速度快、自動化程度高、環(huán)境污染少、結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點，在食品、飼料、肥料等行業(yè)已形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或國家標(biāo)準(zhǔn)，隨著煙草行業(yè)對總氮含量檢測方法效率和實驗室安全的要求越來越高，研究杜馬斯燃燒定氮法對煙草及煙草制品的適用性，實現(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。

4 結(jié)束語

綜上所述，煙草行業(yè)對總氮含量測定進(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，總氮含量測定方法操作必將更簡便，效率更高，更環(huán)保。總氮含量測定方法各有優(yōu)缺點及其適用范圍，近紅外光譜檢測技術(shù)適用于多種常規(guī)成分含量預(yù)測，發(fā)展趨勢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，實現(xiàn)對原料和產(chǎn)品的實時監(jiān)測；凱氏法和杜馬斯燃燒法均適用于實驗室大批量樣品總氮含量準(zhǔn)確測定，凱氏法發(fā)展趨勢為前處理試劑用量更少、安全性更高，與其它儀器聯(lián)用，提高檢測效率和自動化水平；杜馬斯燃燒法在煙草行業(yè)發(fā)展趨勢為研究方法對不同類型煙草樣品的適用性，推進(jìn)方法的標(biāo)準(zhǔn)化，使方法在實際檢測中得到推廣和使用。