靜態(tài)頂空-氣相色譜質(zhì)譜法測定煙絲膨脹介質(zhì)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(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，貴州 貴陽 550009)

近年來，隨著煙草行業(yè)“降焦減害”和“降本增效”工作的推進(jìn)，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(qiáng)[1-2]、燃燒性能好[3-4]和降焦減害效果明顯[5-6]等優(yōu)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(shù)一直是煙草行業(yè)的重點研究領(lǐng)域之一，國內(nèi)外研究人員紛紛對煙草膨脹工藝技術(shù)和設(shè)備進(jìn)行深入研究，新技術(shù)、新工藝不斷涌現(xiàn)，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(tǒng)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(shù)也被開發(fā)利用。國內(nèi)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(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，新型膨脹介質(zhì)KC-2應(yīng)用于煙絲膨脹中時，存在介質(zhì)殘留問題，而介質(zhì)殘留直接影響卷煙的吸食品質(zhì)。因此，建立快速、準(zhǔn)確的檢測煙絲中膨脹介質(zhì)殘留的分析方法具有重要意義，可指導(dǎo)工藝改進(jìn)，減少膨脹后煙絲介質(zhì)的殘留。

膨脹介質(zhì)KC-2是一種良好的煙絲膨脹劑，經(jīng)其膨脹的煙絲色澤鮮亮、體態(tài)飽滿。KC-2作為煙絲新型膨脹介質(zhì)使用，對其殘留檢測尚未報道?；诮橘|(zhì)KC-2無色透明、低沸點和易揮發(fā)的理化性質(zhì)，適于氣相色譜分析[15]。而作為目前易揮發(fā)、低沸點化合物的檢測使用最多的靜態(tài)頂空分析(static headspace，SHS)，其原理是對處于已達(dá)到平衡的密閉容器中液體或固體樣品的頂空氣體進(jìn)行分析，該方法因其快速、高效、無需復(fù)雜的樣品前處理，近年來已在食品、環(huán)境和藥物等多個分析領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[16-17]。目前，還未見靜態(tài)頂空-氣相色譜質(zhì)譜法測定煙絲膨脹介質(zhì)殘留的研究報道。為此，將SHS與氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)相結(jié)合，建立其快速、高效和準(zhǔn)確檢測煙絲中膨脹介質(zhì)殘留檢測方法，為完善新型膨脹介質(zhì)KC-2的工藝技術(shù)和提高卷煙吸食品質(zhì)提供技術(shù)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(zhì)譜聯(lián)用儀、Turbo Matrix 40 Trap自動頂空儀，PE公司。

試劑：環(huán)己烷(色譜純)，天津大茂化學(xué)試劑廠；新型膨脹介質(zhì)KC-2(純度99%)，北京航天實驗技術(shù)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(huán)己烷，迅速壓緊瓶蓋，放入頂空進(jìn)樣器上用于GC-MS 測定。外標(biāo)法定量。

1.2.2 靜態(tài)頂空分析條件 靜態(tài)頂空分析采用自動頂空儀進(jìn)行。樣品平衡溫度60℃，循環(huán)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(jìn)樣時間0.1 min。

1.2.3 氣相色譜-質(zhì)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(jìn)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(zhì)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(jiān)測(SIM)，監(jiān)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(jù)頂空的特性和目標(biāo)化合物的理化性質(zhì)，選擇不同平衡溫度和不同平衡時間在色譜柱上進(jìn)行試驗。

1)平衡時間。將70 μg/mL KC-2介質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行測定。

2)平衡溫度。將70 μg/mL KC-2A介質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行測定。

1.3.2 基質(zhì)校正劑的選擇 為了準(zhǔn)確地進(jìn)行定量分析，選擇定量分析樣品與標(biāo)準(zhǔn)溶液具有相同的基質(zhì)，可以有效地消除樣品的基質(zhì)效應(yīng)[13]。試驗考察甲醇、正己烷、乙酸乙酯和環(huán)己烷4種有機(jī)溶劑作為基質(zhì)校正劑對分析結(jié)果的影響。

1.3.3 色譜及質(zhì)譜條件的選擇 根據(jù)分析目標(biāo)物的理化性質(zhì)和相關(guān)文獻(xiàn)資料[16]，選擇目標(biāo)化合物介質(zhì)KC-2和膨脹煙絲樣品可得到較好分離基線色譜及質(zhì)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(zhì)標(biāo)準(zhǔn)溶液于1 mL環(huán)己烷溶劑中配制系列標(biāo)準(zhǔn)溶液，其質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行靜態(tài)頂空-GC/MS分析，并以KC-2介質(zhì)色譜峰面積為縱坐標(biāo)與其相應(yīng)質(zhì)量濃度X(μg/mL)為橫坐標(biāo)進(jìn)行回歸分析。

1.3.5 回收率及重復(fù)性 稱取0.5 g未膨脹煙絲(介質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)溶液，按試驗設(shè)定方法進(jìn)行靜態(tài)頂空-GC/MS分析，每個濃度平行試驗6次，并根據(jù)測定量、加標(biāo)量和原含量計算回收率。

1.3.6 樣品介質(zhì)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(huán)境下存放1 d、3 d、4 d、5 d和10 d后檢測煙用介質(zhì)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(zhì)KC-2的殘留量。因40℃和50℃處理煙絲造碎嚴(yán)重，不利于后期利用，故不考慮這2個溫度。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010和SPSS 19.0處理數(shù)據(jù)及統(tǒng)計分析。

2 結(jié)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(zhì)標(biāo)準(zhǔn)溶液1 mL加入到未膨化的煙絲中，在試驗條件下，介質(zhì)KC-2響應(yīng)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(zhì)KC-2沸點較低易揮發(fā)，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(zhì)標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)峰面積逐漸增大，在40～60℃增速稍小，而在60～80℃增速明顯?？紤]到該方法旨在檢測常溫下膨脹煙絲中膨脹介質(zhì)KC-2的殘留量，且介質(zhì)KC-2沸點低，兼顧樣品介質(zhì)KC-2充分揮發(fā)，提高方法靈敏度及減少樣品基質(zhì)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(zhì)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(fā)性有關(guān)，又與樣品基質(zhì)有關(guān)，尤其是那些在樣品基質(zhì)中溶解度大(分配系數(shù)大)的組分，基質(zhì)效應(yīng)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(yán)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(zhì)KC-2較為接近，影響介質(zhì)準(zhǔn)確定量，不適合作為介質(zhì)KC-2的基質(zhì)校正劑。環(huán)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(zhì)，使得樣品均勻分散于基質(zhì)溶劑中，從而使定量結(jié)果更為準(zhǔn)確，因此選擇環(huán)己烷作為基質(zhì)溶劑。

2.3 色譜和質(zhì)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(zhì)譜監(jiān)測目標(biāo)離子(m/z)和輔助定量離子(m/z)選擇81和61，介質(zhì)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(yōu)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(zhì)譜監(jiān)測目標(biāo)離子(m/z)和輔助定量離子(m/z)分別選擇81和61。

圖2 介質(zhì)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(fù)性

在試驗條件下，不同濃度標(biāo)準(zhǔn)溶液靜態(tài)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(guān)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(zhì)KC-2的回收率99%～109%，說明方法的準(zhǔn)確性較高；介質(zhì)KC-2的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.3%～1.6%，小于5%，說明方法的重復(fù)性較好。

表1 膨脹煙絲樣品中介質(zhì) KC-2的回收率和重復(fù)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(zhì)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(jīng)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(zhì)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(zhì)含量下降率最大，且10 d后，膨脹煙絲樣品中煙用介質(zhì)KC-2的殘留量趨于穩(wěn)定。因此，在實際生產(chǎn)中，建議恒溫恒濕環(huán)境下儲藏存放5 d左右較為合適，使得膨脹煙絲中介質(zhì)殘留量最小化，同時又不影響卷煙生產(chǎn)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)KC-2殘留量下降率最高，較CK下降85.8%。表明，溫度對介質(zhì)殘留量的影響較大。因此，在實際生產(chǎn)工藝中，在滿足感官質(zhì)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(huán)節(jié)和回潮環(huán)節(jié)，溫度30℃，時間15～30 min，既能加快介質(zhì)釋放，又保持煙絲水分，同時大大縮短在恒溫恒濕環(huán)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(zhì)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(jié)

研究結(jié)果表明，煙絲膨脹介質(zhì)KC-2殘留的靜態(tài)頂空-氣相色譜質(zhì)譜測定方法，樣品前處理操作簡便、重復(fù)性好、準(zhǔn)確性高和快速靈敏，適于膨脹煙絲中膨脹介質(zhì)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(zhì)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(zhì)KC-2的殘留量分別較CK下降28.7%、35.8%、58.4%、71.2%和89.0%；當(dāng)處理5 d和10 d后，介質(zhì)KC-2的殘留量下降率較大，結(jié)合生產(chǎn)需求和節(jié)約生產(chǎn)成本的要求，建議在實際生產(chǎn)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(fā)現(xiàn)，經(jīng)烘箱烘烤后膨脹煙絲樣品中介質(zhì)KC-2含量下降較快，30℃時膨脹煙絲樣品中介質(zhì)KC-2殘留量下降率較25℃高，溫度對介質(zhì)殘留量的影響較大。因此，在實際生產(chǎn)中，在滿足感官質(zhì)量需求的前提下，建議生產(chǎn)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(huán)節(jié)中增加一個加熱和回潮環(huán)節(jié)，加熱溫度30℃，時間15～30 min，既能加快介質(zhì)釋放，又能保持煙絲水分，同時大大縮短在恒溫恒濕環(huán)境下儲藏存放的時間，提高膨脹煙絲的利用率。