卡爾費休法快速測定加熱不燃燒再造煙葉中水分含量

李美紅，朱 婷，秦 琦，李淳皓，陳 華，楊 熙，王子權，肖 冬，師建全，劉 靜

（1.中煙施偉策（云南）再造煙葉有限公司，云南玉溪 653100；2.云南中煙工業有限責任公司，昆明 650231）

在愈來愈嚴峻的控煙形勢下，國內外煙草生產者把研究和開發下一代煙草制品和煙草替代品作為發展的重要目標和競爭焦點，中國在新型煙草的研發領域還處于起步階段，新型煙草制品在一定程度上滿足消費者對煙堿的需求，對人體和環境的危害低，被認為是未來煙草行業發展的熱點領域［1］。加熱不燃燒煙草是利用特殊熱源對煙絲進行加熱（500 ℃以下甚至更低）煙絲只加熱而不燃燒的新型煙草制品，在其配方中添加1，2-丙二醇和甘油作為新型煙草煙霧發煙劑［2-5］。相對于傳統煙草制品來說，水分對加熱不燃燒煙草制品的影響更大，這是由于加熱不燃燒煙草制品含有大量的吸水性發煙劑，比傳統卷煙對水分的要求更高，水分過高、過低都會影響發煙效果、煙氣溫度、抽吸口感［6］。

煙草制品水分檢測的方法主要有烘箱法［7］、氣相色譜法［8］、近紅外光譜技術［9］和微波頻譜技術［10］等。為保證最終獲得合格產品，現代工業生產都要求對其生產過程進行監控和測試，采用離線方式對生產過程中的水分進行分析，而檢測數據的提供往往滯后于生產過程，難以實現在線監控。行業標準規定的水分檢測方法為烘箱法，該方法由于烘烤時長及加熱不燃燒再造煙葉中含有大量發煙劑等，因此不適用于加熱不燃燒再造煙葉中水分的測定。氣相色譜法［8］由于對環境和人員要求較高，不適用于在線快速分析；紅外測量因波長短，測量深度淺，僅能檢測到表面的水分［10］，而加熱不燃燒再造煙葉表面附著大量發煙劑，因此不適用于加熱不燃燒再造煙葉的水分分析。卡爾費休法由于對水分選擇性高，廣泛用于胡椒［11］、煙用香精［12］、飼料［13］、油脂［14］和煙草制品［15］等水分的測定，國標中卡爾費休法測試煙草制品水分［9］，前處理條件萃取時間較長，難以滿足加熱不燃燒再造煙葉水分快速檢測。針對加熱不燃燒再造煙葉水分測定方法，文獻中少有報道，基于此，本研究探索了加熱不燃燒再造煙葉水分快速測定的方法，旨在為加熱不燃燒再造煙葉水分在線監控提供參考。

1 材料與方法

1.1 儀器、試劑與材料

儀器：V10S 容量法卡爾費休儀（梅特勒托利多公司）；Milli-Q 超純水儀（美國MILLIPORE 公司，電阻率＞18.0 MΩ·cm）；切絲機（河南省開封捷利器材廠）；HY-8 調速多用振蕩器（金壇市友聯儀器研究所）；BSA224S-CW 電子天平（感量0.000 1 g，德國Sartorius 公司）；UF260 烘箱（德國美墨爾特有限公司）；PE680 氣相色譜儀（美國PerkinElmer 公司，配有熱導檢測器），微量注射器（50 μL）；單刻度移液管（5 mL），錐形瓶（150 mL）。

試劑：甲醇（色譜純，德國Merck 公司），去離子水，容量法單組份卡爾費休試劑無吡啶，滴定度5 mg/mL（分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司）。

材料由中煙施偉策（云南）再造煙葉有限公司提供。

1.2 方法

1.2.1 預滴定 在反應瓶中加人足量的甲醇以浸沒鉑電極末端，用卡爾費休試劑滴定甲醇中的水分至終點。

1.2.2 標定 用微量注射器吸入20 μL 水，用減量法稱重，記錄準確加入滴定杯中的水重量。用卡爾費休試劑滴定，記錄滴定耗用試劑的體積。重復滴定，2 次滴定的偏差不超過0.03 mL，計算平均滴定體積。

1.2.3 樣品處理 樣品預先切絲處理。準確稱量1 g處理后的樣品，精確至0.1 mg，放入干燥好的三角瓶中。同一樣品至少制備2 個測試樣品。

準確移取50 mL 甲醇萃取劑至三角瓶中，確保萃取劑浸沒樣品，并立刻上蓋密封，同時用封口膜密封。在振蕩器上振蕩萃取10 min，轉速為180 r/min。

1.2.4 滴定分析 準確移取5 mL 萃取液（上層清液），迅速加人反應瓶中滴定。記錄耗用試劑的體積。重復測定，計算水分。如果2 次測定的相差不大于質量分數0.3%，取2 次測定結果的算術平均值。

1.2.5 空白試驗 與樣品處理同步進行，移取50 mL甲醇于150 mL 錐形瓶。用單刻度移液管從錐形瓶中移取5 mL 等份的甲醇至反應瓶。用卡爾費休滴定終點并記錄耗用試劑的體積。重復測定，如果2次測定的偏差不超過0.05 mL，取2 次滴定體積的算術平均值。

1.2.6 數據處理 試樣中煙草水分含量計算式如下（也可由儀器自帶公式進行計算，系統將自動進行漂移補償計算）。

式中，Wt為試樣中水分質量百分數；Vt為滴定耗用的卡爾費休試劑體積，單位為mL；B為空白值；Va為加入反應瓶中試樣萃取液的體積，單位為mL；E為卡爾費休試劑的滴定度，單位為mg/mL；V為制備試樣萃取液的總體積，單位為mL；m為測試樣的重量，單位為mg。

2 結果與分析

2.1 前處理條件優化

2.1.1 稱樣量穩定性考察 考察了不同稱樣量對測定結果的影響，理論滴定劑濃度為5 mg/mL，實際滴定度以標定數值計，卡爾費休試劑滴定管容量為5 mL，消耗滴定劑1.0～4.0 mL 比較適宜，相當于含水量5～20 mg，加熱不燃燒再造煙葉成品中含水量通常在6.5%～13.0%，且大多數穩定在8%～10%，因此稱樣量在0.5～2.0 g 比較適宜。本研究分別考察了0.5、1.0、2.0 g 稱樣量，結果（表1）表明，稱樣量在0.5～2.0 g 時結果均能接受，相對標準偏差能滿足測試要求，綜合考慮樣品均勻性、代表性、萃取劑浸沒樣品等因素，確定稱樣量為1.0 g。

表1 不同稱樣量結果穩定性考察

2.1.2 提取方法選擇 對比了內部直接萃取法及外部萃取法檢測結果，內部直接萃取法（即直接稱取固體樣品加入滴定杯中）結果不穩定，波動較大，樣品中的水分難以在反應過程中完全萃取出來，且直接萃取稱樣量僅0.1 g（依據滴定度反推稱樣量），樣品均勻性、代表性不夠；外部萃取法結果穩定，考慮超聲萃取水分受熱易揮發，同時綜合考慮溶劑與被測物極性、溶解性等化學性質，因此采用外部萃取法-甲醇常溫振搖萃取。

2.1.3 萃取時間的選擇 稱取1 g 樣品，加入50 mL無水甲醇溶液萃取，比較萃取時間為5、10、15、30 min的結果，結果見圖1，圖1 表明萃取時間為10～30 min時檢測結果較接近，萃取比較完全，綜合萃取效率及檢測時效性因素，選擇萃取10 min。

圖1 不同萃取時間的比較

2.2 線性范圍考察

由圖2 可知，在水重量為2.5～25.0 mg 時，相關系數為0.999 6，線性關系良好，卡爾費休試劑的實際滴定度為5.511 2 mg/mL，滿足定量分析的基礎。

圖2 線性范圍

2.3 分析方法驗證

對同一加熱不燃燒再造煙葉樣品稱取6 個平行樣品進行檢測，結果見表2。取上述加熱不燃燒再造煙葉樣品3 份，以樣品中水分含量為基準，分別加入低、中、高3 個水平的水分，每個添加水平測定平行樣。加標后的樣品分別進行前處理和滴定分析，由樣品中原含量、加標量和測定值計算樣品加標回收率，結果見表3。

表2 樣品精密度試驗

表3 樣品加標回收率

由表2、表3 可知，水分相對標準偏差為0.64%、加標回收率在96.40%～102.46%，表明該方法準確性高、重復性好，適用于加熱不燃燒再造煙葉中水分的定量分析。

2.4 效果驗證

選取不同含水率區間的樣品，樣品含水率在5%～13%，樣品充分混勻，切絲，采用四分法分取樣品，取出20 g，分裝兩袋，立即密封。分別用氣相色譜法［8］和卡爾費休法測定水分進行驗證對比，結果見表4，結果表明卡爾費休法與氣相色譜法分析結果接近。根據正態性檢驗結果（表5）顯示，試驗組與對照組正態性檢驗顯著性均小于0.05，數據均呈非正態分布，因此選用Fisher 精確檢驗。根據交叉表（表6）卡方檢驗顯示，Fisher 精確檢驗值為1.245，P為1.000，大于0.05，說明2 組試驗數據間不存在顯著差異。

表4 20 個樣品檢測結果

表5 正態性檢驗結果

表6 交叉表檢驗結果

3 小結

本研究對樣品的前處理和檢測條件進行了考察，建立了測定加熱不燃燒再造煙葉水分卡爾費休法。在水重量為2.5～25.0 mg時，相關系數為0.999 6，線性關系良好，加標回收率為96.40%～102.46%。抽取不同區間水分樣品進行檢測，與氣相色譜法檢測結果進行對比，并進行統計學分析，2 種方法檢測結果差異不顯著。結果表明，該方法前處理簡單、重復性好，檢測時間短，適用于加熱不燃燒再造煙葉生產線水分在線監控。