卷煙煙氣粒相物萃取液緩沖當量及酸堿性的檢測

唐麗云　練文柳　郭紫明等

摘 要 針對卷煙煙氣pH值測定提出了煙氣萃取液緩沖當量的概念，并從緩沖當量的角度論述和驗證了水作為萃取體系檢測卷煙煙氣酸堿性的合理性，建立了檢測卷煙主流煙氣粒相物酸堿性的評價方法.采用劍橋濾片收集卷煙主流煙氣粒相物，用添加了2 mmol/L KCl的去離子水萃取濾片，pH復合電極測定萃取溶液的pH值.結果表明采用水萃取卷煙煙氣粒相物來評價卷煙煙氣的酸堿性可行.

關鍵詞 卷煙；緩沖當量；主流煙氣；pH值

中圖分類號 TS41文獻標識碼 A文章編號 10002537（2016）02004805

Determination of Buffer Capacities and pH Values of Cigarette

Mainstream Smoke Condensate Using Water Extraction

TANG Liyun*， LIAN Wenliu， GUO Ziming， LIU Wei， DU Wen， WANG Zhiguo

（ Technology and Reserach Center， China Tobacco Hunan Industrial Co.， Ltd.， Changsha 410014， China）

Abstract The concept of buffer capacity of cigarette mainstream smoke condensate was put forward according to the determination of pH values of cigarette smoke. The reasonability of using water as the extraction system was discussed and verified through the buffer capacity. An evaluation method of pH values of cigarette smoke was established. The mainstream cigarette smoke was collected by a Cambridge pad， extracted using a 2 mmol/L KCl aqueous solution， and then determined with a pH combination electrode. Our results showed that determining pH values of the mainstream cigarette smoke using water as the extraction system is both appropriate and applicable.

Key words cigarette； buffer capacity； mainstream smoke； pH value

煙氣酸堿性是卷煙整體質量反映的指標之一，可綜合反映卷煙配方中化學組成和化學平衡，尤其是可反映煙氣中煙堿的存在形態[13].20世紀50年代，煙草化學家們已開始注意到煙氣酸堿性的重要性，從卷煙煙氣酸堿性測定方法的研究到煙氣酸堿性的影響因素以及煙氣酸堿性與煙氣成分或抽吸條件的影響都有報道[412].Irwin[13]在1997年提出檢測卷煙煙氣粒相物pH而不是卷煙全煙氣來衡量卷煙煙氣的酸堿性，因為卷煙煙氣氣相中大量的CO2對煙氣的pH值貢獻很大，飽和CO2溶液的pH值大約為3.7， 如果采用全煙氣檢測，勢必會降低卷煙煙氣pH值并且減小樣品之間的差異.不采用全煙氣檢測的另外一個原因是pH本身的定義是氫離子活度αH+，是一個與溶質有效濃度相關的基團[14].因此pH實際上是溶液酸堿值的一種標度，而且是水溶液的酸堿值.而煙氣是一種氣溶膠，分成粒相和氣相兩相，這與“pH”原始概念偏離.“煙氣pH”只是一個定義的數值，反映的是煙氣的一種特性，它的值依賴于測定方法.“全煙氣pH”顯然是更加偏離了“pH”的概念，并且卷煙煙氣氣相物對卷煙感官的貢獻很小，大部分對口感和香味有積極作用的物質都來源于粒相物.因此本文采用卷煙煙氣粒相物而不是全煙氣來評價卷煙煙氣的酸堿性.

測定卷煙主流煙氣的pH值，一種是直接法，即采用pH電極直接插入主流煙氣通道測定，可檢測單口煙氣的pH值.另外一種是將主流煙氣用水溶液萃取后再進行pH測定[9].國內研究者基本上采用水異丙醇（V/V，1∶1）的溶液來萃取主流煙氣[7，1011]，而國外研究者則傾向于水作萃取溶液，在水中添加無機物或者配成緩沖溶液[45，12].本文檢測了水與有機相作為卷煙煙氣萃取溶液的緩沖當量，從緩沖當量的角度論述和驗證了水作為萃取體系的合理性，建立了檢測卷煙主流煙氣粒相物酸堿性的評價方法.

湖南師范大學自然科學學報 第39卷

第2期

唐麗云等：卷煙煙氣粒相物萃取液緩沖當量及酸堿性的檢測

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

異丙醇（分析純）；甲醇（分析純）；乙醇（分析純）；去離子水；KCl（高純試劑）；氫氧化鈉（分析純）；鹽酸（分析純）；SM450直線型吸煙（英國CERULEAN公司）；METTLERTOLEDO實驗室pH計（梅特勒托利多儀器上海有限公司）；THZC臺式恒溫回旋振蕩器 （江蘇太倉市華美生化儀器廠）.

1.2 緩沖當量的測定

分別加入不同體積的鹽酸溶液到20 mL水與有機溶劑的體系中，根據加入量的不同測定其pH值得到[H+]，以[H+]為橫坐標，加入的鹽酸溶液最終濃度（mol/L）為縱坐標，進行線性回歸，回歸方程的斜率定義為該體系的緩沖當量β[15].水與有機溶劑體系中水的體積分數φ（H2O）分別為：100%，75%，65%，50%，35%，15%，10%.選取3種有機相：甲醇、乙醇和異丙醇.

1.3 煙氣粒相物的捕集與pH值測定

將卷煙在22±1 ℃、相對濕度60±2%條件下平衡48 h[16]，參照國家標準規定的條件用吸煙機抽吸試驗煙支[17]，每個孔道抽吸4支，用平衡好的劍橋濾片捕集煙氣粒相物，取出濾片，放入 50 mL錐形瓶中，加入20 mL含2 mmol/L KCl水溶液的萃取溶液，塞緊蓋子，超聲萃取30 min，用 pH計測定萃取液的pH值.

2 結果與討論

2.1 水與有機相緩沖當量的比較

waterMT：水甲醇體系；waterEA：水乙醇體系；waterIPA：水異丙醇體系

圖1 緩沖當量β與體系含水量的關系圖

Fig.1 The relation of buffer capacity β and system water content

分別測定水與甲醇、乙醇和異丙醇體系的緩沖當量，結果見圖1.從圖1可以看出，純有機相的緩沖當量β最小.以水為主的體系中（體系水含量大于50%），純水的緩沖當量最小.按照緩沖當量的定義，β值越大，說明添加同樣多的鹽酸，溶液的[H+]變化小，即溶液的緩沖能力大，表明體系的緩沖能力越強，該體系越不容易受到外加物質的影響而引起pH的變化；β值越小，說明添加同樣多的鹽酸溶液，溶液的[H+]變化大，即溶液的緩沖能力小，表明體系的抗酸堿能力越弱，該體系越容易受到外加物質的影響而引起pH的變化.因此，在測定pH值時，為使體系最大限度地減小對萃取物質的影響，應該選取緩沖當量β小的體系.pH復合電極是基于水溶液而進行測定的，在含水量小于50%體系中，體系以有機相為主，不適合用pH復合電極測定pH值.因此選擇含水量大于50%體系中對應的最小β的體系為最佳的萃取體系，即得純水體系為最佳的萃取體系.

2.2 水與有機相作為萃取液后緩沖當量的比較

根據文獻報導[6，8]，研究者會將純水作去CO2處理，這是因為水和環境空氣中的CO2也會影響溶液的酸堿度.這些不同的處理方法導致采用電極法測定得到的pH值也不同.本文對此作了研究.取選定的實驗用煙，在同樣的抽吸條件下得到的粒相物濾片，用20 mL不同比例的水有機相體系作萃取劑進行超聲萃取30 min，測定其pH值.按照1.2所述測定體系的緩沖當量值，結果見圖2.以水異丙醇為例，由圖2可以看出，萃取液加入鹽酸后，鹽酸濃度與[H+]并不成線性關系，從其趨勢來看，萃取液的緩沖當量比純水體系大得多，比水異丙醇（φ（H2O）=35%）體系的緩沖當量也大得多.同樣得到水乙醇體系、水甲醇體系的萃取液緩沖當量也比純水體系大得多.因此可以說明水中和環境中的CO2對測定結果的影響很小，可以忽略不計.

2.3 萃取劑的優化

由于超純水中的離子濃度非常低，在測超純水的pH時，電極的結構性能會引起電極液接界電位的不穩定，加上超純水的無緩沖性能和空氣中CO2溶入等，這些因素導致在檢測超純水的pH時會有反應慢，示值漂移的現象.有文獻報道[18]在被測水樣中加入KCl溶液作為離子強度調節劑，改變溶液中的離子總強度，增加導電性，能使測量快速穩定.此方法國家標準GB/T6P04.394中規定：“測量水樣時為了減少液接電位的影響和快速達到穩定，每50 mL水樣中加入一滴中性0.1 mol/L KCl溶液.”雖然此方法改變了水樣中的離子強度，在一定程度上引起了其pH值的變化，但經實驗證明該方法pH在數值上只改變了0.01左右.采用這種方法時，一定要注意所加的KCl溶液不應含任何堿性或酸性的雜質.因此，KCl要采用高純試劑，所配溶液的水質也必須是高純度的中性水質.本文對純水溶液、調節pH=7的水溶液（用0.01 mol/L的NaOH溶液和0.01 mol/L的HCl溶液調節pH值）和添加了KCl的水溶液作為萃取溶液進行比較.表1為同一牌號卷煙在不同萃取溶液情況下測得pH值的比較.從表1結果來看，比較三者的平均值和標準偏差，顯然KCl水溶液相對較好.

2.4 煙支數的影響

取選定的實驗用煙，分別抽吸1，2，3，4，5支卷煙，得到的劍橋濾片用20 mL KCl水溶液超聲萃取30 min，測定其pH值，結果見表2.從表2來看，對于44 mm的劍橋濾片，煙支數越多得到的pH值會越小，但4支和5支煙的區別不是很大，因此對于44 mm劍橋濾片來說，應選擇抽吸的煙支數為4支.

2.5 前處理條件的選擇

2.5.1 萃取體積的選擇 取選定的實驗用煙，在同樣的抽吸條件下得到的粒相物濾片，分別加入10，20，30，40，50 mL KCl水溶液，分別用振蕩和超聲的方式萃取30 min，測定其pH值，結果見表3.從表3的結果來看，在10～50 mL的范圍內，隨著萃取體積的增大，pH值也會增加，但增加到一定程度后變化不再明顯，根據節省試劑原則，選擇20 mL作為萃取劑萃取體積.

2.5.2 萃取方式和萃取時間的選擇 取選定的實驗用煙，在同樣的抽吸條件下得到的粒相物濾片，采用20 mL和30 mL KCl水溶液分別采用振蕩和超聲的方式進行萃取，振蕩萃取時間分別為10， 20， 30， 40， 60 min，超聲萃取時間分別為5，10，20，30，40，60 min，然后測定萃取液的pH值，結果見表4.從表4可知，同樣的萃取體積，振蕩方式得到的pH值遠大于超聲的方式，表明超聲方式可溶解更多的物質，因此選擇超聲的方式來萃取.從超聲萃取時間來看，30～40 min萃取的結果相差不大，而萃取60 min后pH值又有稍許降低，因此為保證萃取完全，又不會因超聲時間過長引起溶液變化，選取最佳萃取時間為30 min.20 mL水比30 mL水超聲萃取出的pH值稍微低些，因此選擇20 mL水為最佳萃取體積.

2.5.3 濾片放置時間的影響 取選定的實驗用煙，在同樣的抽吸條件下得到的粒相物濾片，分別放置10，20，30，40，60，90 min后，再用20 mL KCl水溶液進行超聲萃取30 min，測定其pH值，確定濾片放置的最長時間.結果見圖3（3次實驗結果）.從圖3的結果來看，卷煙抽吸完后，pH值隨濾片放置的時間有變化但變化并不明顯，濾片可以放置長達90 min再進行萃取.

2.5.4 萃取液放置時間的影響 取選定的實驗用煙，在同樣的抽吸條件下得到的粒相物濾片，用20 mL KCl水溶液進行超聲萃取30 min，萃取液分別放置0，10，20，30，40，60 min后測定其pH值，確定萃取液放置的最長時間.由圖4可知，萃取液pH值會隨著放置時間逐漸降低，萃取液放置時間最好在20 min以內.

2.6 重復性

取選定的實驗用煙，按照上述條件測定其卷煙粒相物的pH值，每日重復測定5次，連續測定5 d，結果相對標準偏差日內重復性為08%，日間重復性為12%，均小于5%.

2.7 實際卷煙樣品的測定

圖5 部分市售卷煙主流煙氣粒相物pH值

Fig.5 pH of part of the cigarette mainstream smokes

采用上述步驟測定了48種市售卷煙主流煙氣粒相物pH值，其中前41種為烤煙型卷煙，后7種為混合型卷煙，結果如圖5所示.從圖5可以看出，部分市售卷煙主流煙氣粒相物pH值約為5.1～6.3，平均值5.6.混合型卷煙主流煙氣粒相物pH值比烤煙型稍稍偏高.

3 結論

本文從緩沖當量的角度分析了水作為萃取劑萃取卷煙主流煙氣粒相物的合理性，并從緩沖當量的角度討論了水中和環境中CO2對卷煙主流煙氣粒相物萃取液pH測定結果的影響.選擇20 mL去離子水作為萃取劑，萃取劑中含2 mmol/L的KCl，超聲萃取收集了4支卷煙主流煙氣粒相物濾片，用pH復合電極測定其pH值，即為該卷煙主流煙氣粒相物pH.該方法操作簡便，重復性好，適宜用于卷煙主流煙氣粒相物pH值的檢測.

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（編輯 WJ）