煙草及煙草制品總氮測定消化工藝參數研究*

王光琴，徐 猛，邵富芫，趙浩均，孫 策，陳文萍，嚴 國，瞿 方，黃 會

（貴州黃果樹金葉科技有限公司，貴州 安順 561000）

目前，連續流動法進行煙草及煙草制品總氮的測定仍以行業標準YC／T 161-2002作為參照。該法中的催化劑（氧化汞）是一種劇毒化學品，不僅對人體及環境有害［1-2］，且采購存在一定困難。硫酸銅（CuSO4）替代氧化汞作為更安全有效的催化劑成為行業共識［3-6］，但因為沒有統一的行業標準，加上檢測環境的不同，各檢測主體消化工藝參數差異較大，不能同時滿足各樣煙草及煙草制品總氮的測定。當前，對連續流動法進行煙草及煙草制品總氮測定的研究主要集中在樣品種類檢測，如再造煙葉［7-9］、煙草［10-11］，催化劑用量［11-12］，消化溫度參數［9］及消化裝置［13］等，樣品單一，研究不系統，所得結果普遍適用性不強。此外，也缺乏原理機制上的探討。本研究系統性地進行了煙草及煙草制品消化工藝參數的研究，從選擇代表性樣品，采用正交實驗得到催化劑用量及影響程度，文獻法進行消化溫度、時間的初篩和總結復篩等方面，以樣品真實值為參照，系統性地進行煙草及煙草制品總氮消化工藝參數的確認，并進行作用機理探討，以完善煙草及煙草制品總氮消化工藝參數，為煙草及煙草制品總氮的測定提供參考。

1 實驗部分

1.1 材料、試劑與儀器

1.1.1 實驗材料

實驗室控制樣品為國家煙草質量監督檢驗中心監控的A樣和B樣，總氮質量分數分別為1.60% ±0.08%、2.13%±0.11%。消化工藝參數篩選樣品為貴州再造煙葉，其理化特性如表1。消化工藝參數驗證樣品為17種煙草及煙草制品（40℃烘箱內平衡2 h后粉碎過40目篩，稱樣量精確到萬分位）。

表1 再造煙葉樣品基本性質

1.1.2 試劑及溶液配制

所用水為超純水；所用試劑除硫酸為優級純外其他均為國藥分析純級。

催化劑：硫酸鉀 （K2SO4）、硫酸銅 （CuSO4·5H2O）、95%～98%硫酸（H2SO4）。

背景溶液：2.5%硫酸。

標準溶液的制備：稱取105℃烘2 h的硫酸銨0.2357 g±0.0001 g于燒杯中，用2.5% H2SO4溶解后，轉入100 mL容量瓶中定容，此溶液氮質量濃度為500 mg／L。分別移取1、2、3、4、5、6 mL的標準溶液，用2.5% H2SO4定容至100 mL，搖勻得氮的標準 溶 液 質 量 濃 度 分 別 為 5、10、15、20、25和30 mg／L。

R1（NaCl／H2SO4溶 液）：NaCl 10 g，H2SO47.5 mL，定容至1000 mL。臨用前按2滴每100 mL的量加入表面活性劑聚乙氧基月桂醚Brij35（下同）（19 g定容至100 mL），混勻待用。R2（緩沖液）：酒石酸鉀鈉（NaKC4H4O6·4H2O）13 g，磷酸氫二鈉（Na2HPO4·12H2O）3 g，氫氧化鈉30 g，定容至1000 mL；臨用前加入Brij35。R3（水楊酸鈉溶液）：水楊酸鈉（NaC7H5O3）150 g，亞硝基鐵氰化鈉（Na2［Fe（CN）5NO］·5H2O）0.3 g，定容至1000 mL；超聲10 min后，臨用前過濾。R4（二氯異氰尿酸鈉溶液）：Alfa Aesar二氯異氰尿酸鈉 （NaC3Cl2N3O3·2H2O）0.3 g，定容至100 mL；超聲10 min后，臨用前過濾。

1.1.3 主要儀器

ALLIANCE連續流動分析儀（法國）；BSA4202S天平（感量0.1 mg）；EZ-1B消化爐；DHG-9120A烘箱；UPR-II-10T超純水器。

1.2 實驗方法

1.2.1 方法依據

本研究按照YC／T 31-1996測定樣品水分；參照YC／T 161-2002進行樣品總氮含量測定。

連續流動分析管路如圖1。消化液、R1～R4溶液分別從相應管路進入反應流動池，在660 nm波長下比色，得到總氮的儀器觀測值；扣除水分即為樣品真實值。

圖1 連續流動工作管路圖

1.2.2 催化劑配方設計

采用正交表L16（45）選取3個因數，每個因數各4水平，共16組的正交設計，即：硫酸鉀（1 g、2 g、3 g、4 g），硫 酸 銅 （0.1 g、0.2 g、0.3 g、0.4 g），硫酸（5 mL、6 mL、7 mL、8 mL）。采用供應商推薦的消化溫度、時間（150℃1 h，370℃4 h）（下述簡稱常規方法）先進行催化劑配方篩選。

1.2.3 消化溫度、時間的初步篩選

通過文獻法［7、9、14］，初步得消化條件（表2）。以常規方法為對照CK。準確稱取0.1 g樣品于消化管中，依次加入最優催化劑配方中的硫酸銅、硫酸鉀和硫酸量，按表2條件上機消化。

表2 消化條件初篩

1.2.4 消化工藝參數的驗證

用本研究所得的消化工藝參數與常規消化方法進行對比驗證。驗證樣品按產地、類型總共17種，分別為：烤煙6種，威寧、云南、廣東、贊比亞、津巴布韋、巴西；曬煙2種，廣西、銅仁；香料煙1種，云南保山；白肋煙1種，重慶；煙梗2種，畢節、黔西南；成品煙絲2種，利群（已加香）、貴煙福（未加香）；再造煙葉3種，江蘇、貴州、云南（質控D樣）。

2 結果與討論

2.1 樣品檢測的有效性

2.1.1 總氮儀器觀測值的準確性

以標準溶液的吸光值OD與總氮質量濃度值作圖，繪制出標準曲線（圖2），得到回歸方程：y＝0.0591x（R2≈1.000），表明在5～30 mg／L質量濃度范圍內，吸光值與總氮質量濃度呈現良好的線性關系，滿足定量分析的要求。

圖2 總氮測定標準曲線

2.1.2 儀器正常工作條件

標準溶液、實驗室控制樣品、煙草及煙草制品按照1個最高質量濃度標準溶液、6個質量濃度梯度標準溶液、2個洗針、1個質量控制樣品、3個重復和每個消化條件4個重復，每個重復取2針的順序進行連續流動分析檢測。結果顯示（圖3），實驗室控制樣品A樣和B樣的檢測結果均在允許誤差范圍內，每個消化控制條件下樣品重復性好，在上下0.02的區間內波動，表明儀器工作正常。

圖3 連續流動分析儀檢測圖譜

2.2 催化劑最優配方優選

2.2.1 正交試驗結果的初步分析

正交實驗數據分析結果見表3。以每一組實驗的測定值與該樣品真實值的絕對差值作為實驗的最終結果。此最終結果越小則，該實驗條件越好。從表3中看出，第6組和第13組最終結果為0，與樣品真實值相吻合，表明此2組實驗條件可滿足檢測要求。因此，初步可得催化劑用量配方2組，即硫酸鉀、硫酸銅和硫酸用量分別為2 g、0.2 g、5 mL和4 g、0.1 g、8 mL。

表3 催化劑正交試驗結果分析

2.2.2 催化劑成分影響分析

從表4方差分析看出，硫酸鉀用量對總氮測定的影響達極顯著水平（P＜0.01），硫酸銅與硫酸用量不顯著，且硫酸銅用量影響程度小于硫酸。因此，硫酸鉀與硫酸銅的用量比例應控制在一定范圍，且硫酸鉀用量不宜超過3 g，硫酸用量不宜超過6 mL。實驗還發現，總氮檢測結果隨著硫酸鉀用量的增加而提高，隨著硫酸用量的增加而降低，這與硫酸鉀用量增加使得溫度過高而生成物硫酸銨會分解，從而總氮含量降低的理論不一致，目前仍在摸索中。

表4 方差分析表

2.2.3 最佳催化劑配方的確認

將16組催化劑配方實驗結果進行SPSS標準差與顯著性分析，以接近真實值（1.61±0.02%）做先后排序后發現（表5），第6組和第13組催化劑配方與其他組合達到極顯著差異水平（P＜0.01），而兩者差異不顯著。

表5 16組催化劑配方總氮含量結果

為確定最佳催化劑配方，須在第6組和第13組之間做出選擇。試驗過程發現，在消化結束加入約30 mL超純水搖勻時，1～4 g硫酸鉀用量的消化液呈現不同狀態（圖4）：3 g和4 g硫酸鉀用量的消化液底部有大量白色晶體，而1 g和2 g硫酸鉀用量的消化液各試劑完全溶解。由此看出，在一定量的硫酸體積下，硫酸鉀用量不宜超過3 g。而第13組硫酸鉀用量為4 g。隨后，將第6組進行重復性驗證，其總氮含量維持在樣品真實值1.61±0.02%。考慮降能減耗的目的，本文優先考慮以最少的試劑用量就能達到準確的檢測結果。綜上所述，最終選擇第6組，即硫酸鉀2 g、硫酸銅0.2 g、硫酸5 mL作為最終催化劑配方。該方法可滿足造紙法再造煙葉樣品的消化要求。

圖4 不同硫酸鉀用量消化液狀態

2.3 消化溫度、時間優選

2.3.1 消化溫度、時間的初篩

根據表2的消化條件的總氮檢測結果可知（圖5），除對照CK外，其余3組檢測結果均低于真實值，與CK呈顯著性差異（P＜0.05）。目前適用的常規方法雖滿足檢測要求，但消化時間較長，加上升降溫時間，消化一批樣品約需8 h，無法為再造煙葉生產提供實時指導。因此，消化條件仍需優化。根據檢測結果，溫控3用了1.3 h就達到了溫控1（3.5 h）和溫控2（2.5 h）的消化效果。因此為達到減少消化時間的目的，從溫控3進行消化條件的進一步篩選。

圖5 消化條件初篩結果

2.3.2 消化溫度、時間的復篩

通過試驗及驗證，共進行了7組消化條件的實驗方案（表6）。由復篩結果（圖6）看出，溫控8和溫控10的總氮檢測結果差異不顯著，與其他溫控程序檢測結果呈顯著性差異（P＜0.05），此兩者消化條件可使樣品總氮含量達到真實值。綜合資源節能與降耗的考慮，最終確定溫控8，即200℃30 min，420℃130 min的消化條件作為最終測定造紙法再造煙葉總氮的消化工藝參數。該消化條件比常規方法消化時間縮短了2.33 h，檢測效率可提升87.5%。

圖6 消化條件復篩結果

表6 消化條件復篩方案

2.4 消化工藝參數的適用性

為滿足不同特殊結構和制作工藝的煙草及煙草制品總氮檢測需求，本研究選取17種具有代表性不同來源的煙草及煙草制品進行常規方法和優選方法的對比驗證（表7）。結果顯示，檢測結果重復性較好，兩種方法的相對偏差均小于5%，說明優選方法完全可以替代常規方法，其測定結果準確可靠。

表7 常規方法與優選方法對比實驗結果

3 原理探討

總氮作為煙草及煙草制品一項重要的化檢指標［15-16］，其檢測方法長期以來得到不斷改進與完善［17-20］。在消化工藝中，硫酸鉀、硫酸銅和硫酸起著不同的作用。硫酸鉀提高消化液沸點，并維持硫酸的濃度［10］。研究發現，消化結束回到室溫時，消化液有白色結晶存在，尤其是在硫酸鉀用量較大時尤為明顯。該結晶可能為（K，NH4）2SO4型混合晶體，以K2SO4·3（NH4）2SO4和2K2SO4·7（NH4）2SO4兩種形態存在，該結晶的熱化學性質是由溶液焓差的濃度依賴關系確定的［22］。硫酸鉀和硫酸對總氮檢測結果影響較大的原因可能在于此。

硫酸銅的主要作用為加速平衡的到達，使反應沿一條需要活化能低的途徑進行；硫酸銅所在的催化反應是多階段的，參與中間物的形成［23］。負載的硫酸銅沒有明顯改變載體的孔結構，其在載體上有較好的分散度，隨著硫酸銅含量的增加，催化劑的氧化還原能力逐漸增強［24-25］。但不建議增加催化劑的用量，因為可能會導致氮的損失［26］。行業標準YC／T 161-2002中所用的汞除了不便購買、劇毒和造成環境污染［27］外，在蒸餾之前還需要用硫化鈉或硫化鉀沉淀汞，而且由于長時間的消化，硫酸的濃度會降低，從而形成一種非常穩定的汞氨基衍生物，這種情況下再加一點酸，進一步分解，氨氣就會分解［28］。因此，毫無疑問，硫酸銅具有較低毒性和較高抗硫性能，是催化劑的最佳選擇。

鉀與硫酸銅也存在一定關系。過多的鉀可能引起硫酸銅的失活，鉀會與硫酸銅反應生成CuO 和K2SO4，CuO會引起催化劑上NOx轉化率下降。另外，鉀還會與硫酸銅上的Br?nsted酸性位（S-OH）結合，從而阻礙NH3在催化劑表面的吸附［24］。因此硫酸鉀不僅與硫酸存在一定的量關系，與硫酸銅同樣存在。

研究發現，消化時間與溫度之間不存在明顯的規律，往往是配套作用。低溫階段，可不設置固定消化時間，此消化速率可滿足消化要求；在反應溫度高于340℃時，NOx轉化率在94%以上；380℃下，Lewis酸性位上吸附的NH3參與了反應［25，29］；消化溫度高于430℃不會引起氮的損失，進一步拓寬了消化溫度。

4 結論

本研究以連續流動法測定造紙法再造煙葉產品總氮的消化工藝參數為切入點，得到了適用于煙草及煙草制品總氮測定的消化工藝參數。1）催化劑對總氮測定的影響順序為：硫酸鉀＞硫酸＞硫酸銅，其中硫酸鉀與硫酸和硫酸銅的比例用量上應達到平衡，硫酸鉀用量不宜超過3 g。2）催化劑最佳配方為：硫酸鉀2 g，硫酸銅0.2 g，硫酸5 mL；消化溫度、時間為：200℃（30 min）+420℃（130 min）。該消化工藝參數適用于各種來源及生產工藝的煙草及煙草制品。通過方法優選，可比常規方法消化時間縮短了約2.33 h，實現資源節約，檢測效率可提升87.5%。