應用CO2處理分析再造煙葉中的碳酸鈣

王珂清，秦艷華，王 瑞，張合川，袁廣翔，朱懷遠，沈曉晨*

1.江蘇中煙工業有限責任公司，南京市建鄴區興隆大街29 號 210019

2.江蘇鑫源煙草薄片有限公司，江蘇省淮安市清江浦區浦發大道66 號 223002

碳酸鈣具有無毒、生物相容等優異性能［1］，常被用作添加劑加入食品、藥品和聚合物中，廣泛應用于造紙［2］、食品［3-4］、橡膠［5］、醫藥［6-7］和環保［8］等領域。目前，碳酸鈣的測定方法主要有頂空-氣相色譜法［9］、滴定法［10-12］、高效液相色譜法［13］、紅外光譜法［14-15］和熱重分析法［16-17］等，已廣泛應用于造紙、制藥、土壤、材料以及食品包裝等研究領域。但是，碳酸鈣與磷酸鈣等鈣鹽?；旌洗嬖谟谔烊缓腿斯ぶ破分校?，雞蛋殼［18］、嬰幼兒配方奶粉［19］和再造煙葉［20］等。由于碳酸鈣與磷酸鈣在常見酸中的溶解性相似，所以應用化學分析方法較難準確測定含有磷酸鈣等鈣鹽干擾的復雜體系中碳酸鈣的質量百分數，相關文獻報道亦較少。因此，十分有必要建立碳酸鈣與磷酸鈣復雜混合體系中碳酸鈣質量百分數的測定方法，為碳酸鈣在再造煙葉等領域的深入應用提供技術參考。再造煙葉中既有煙草又有各類添加劑，體系復雜，鈣鹽種類繁多，不僅有易溶于水的鈣鹽，還有難溶于水的各種鈣鹽，如碳酸鈣、磷酸鈣等［20］，其中碳酸鈣是再造煙葉重要的填料之一，可以影響其性能和品質［21-26］。因此，準確測定再造煙葉中碳酸鈣的質量百分數對再造煙葉的研發、生產和質量控制具有重要作用。目前，再造煙葉中碳酸鈣質量百分數的測定方法主要有連續流動法［27］、離子色譜法［28］以及熱重分析法［29］。但是，應用連續流動法和離子色譜法時，無論是鹽酸萃取液還是乙酸萃取液均會使磷酸鈣等難溶于水的鈣鹽共溶出，影響檢測結果的準確性；應用熱重分析法時，樣品用量少，檢測結果的準確性易受到樣品均勻性的影響。因此，十分有必要建立一種專一性強、準確性和精密度更高的方法檢測再造煙葉中碳酸鈣的質量百分數。

本研究中基于CO2可與碳酸鈣反應生成可溶的碳酸氫鈣的原理，應用CO2處理分析復雜鈣鹽混合體系再造煙葉中碳酸鈣的質量百分數。CO2與碳酸鈣的反應是自然界“水滴石穿”等巖溶現象的主要原理，可以影響地質結構和工程材料的化學組成［30-32］。但是應用該原理檢測碳酸鈣質量百分數的方法鮮有報道?；谏鲜鲈?，本研究中采用離子色譜法測定CO2反應前后Ca2+質量濃度的變化，間接分析碳酸鈣的質量百分數，旨在為測定再造煙葉中碳酸鈣的質量百分數提供準確的方法，也為準確測定復雜鈣鹽體系中碳酸鈣的質量百分數提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

5 種市售再造煙葉樣品，編號為1#～5#，制造工藝均為造紙法。

甲基磺酸（98%，英國Johnson Matthey公司）；輕質碳酸鈣（97%，杭州天時化工有限公司）；濃鹽酸（36%～38%，南京化學試劑有限公司）；Ca2+標準溶液（0.1 mol/L，美國Fluka 公司）；磷酸鈣、氯化銨（AR，國藥集團化學試劑有限公司）；乙酸（色譜純，上海安譜實驗科技有限公司）。

ICS-5000 離子色譜儀（美國Thermo Fisher 公司）；Milli-Q Integral 10 型超純水儀（美國Millipore公司）；AL204 電子天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo公司）；水相濾膜（孔徑0.45 μm，英國Peculiar科技有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 標準工作溶液的配制

分別移取適量的0.1 mol/L Ca2+標準溶液于不同的100 mL 容量瓶中，用去離子水定容，配制不同質量濃度的Ca2+標準工作溶液，工作溶液的質量濃度范圍為0.3～6.0 mg/L。

1.2.2 試樣制備

抽取20 g 具有代表性的再造煙葉樣品，將其切成小于5 mm ×5 mm的碎片，混勻。

1.2.3 樣品的預處理和分析

準確稱取0.2 g再造煙葉碎片，置于氣體吸收瓶中，加入50 mL去離子水后，持續通入足量的CO2氣體，于冰浴中萃取60 min。萃取結束后，過濾，移取1 mL 萃取液，用10 mmol/L HCl 稀釋至100 mL，過水相濾膜，上機檢測CO2反應后溶液中Ca2+的質量濃度（C1，mg/L）。

空白樣分析：稱取0.2 g樣品作為試樣，用50 mL去離子水于冰浴中萃取60 min 后，移取1 mL 萃取液，用10 mmol/L HCl 稀釋至100 mL，過水相濾膜，上機檢測水萃取后溶液中Ca2+的質量濃度（C0，mg/L）。離子色譜分析條件：

流動相：0.020 mol/L 甲基磺酸；流速：1.0 mL/min；進樣量：25 μL；柱溫：30 ℃；電導池溫度：35 ℃；抑制器電流：70 mA；色譜柱：CS12A陽離子分析柱。

1.2.4 碳酸鈣質量百分數的計算

再造煙葉中碳酸鈣的質量百分數（W，%）按照公式（1）計算：

式中：V—萃取液體積，L；N—稀釋因子，100；M0—再造煙葉樣品的質量，mg。

2 結果與討論

2.1 前處理方法的選擇

再造煙葉（Reconstituted tobacco，RT）中含有多種形式的鈣鹽，這些鈣鹽在常見的酸溶液中有時會共溶出，尤其是磷酸鈣（Calcium phosphate，CP）與碳酸鈣（Calcium carbonate，CC）會共溶出，直接影響碳酸鈣的準確測定。為有效分離磷酸鈣和碳酸鈣，降低磷酸鈣的干擾，準確測定碳酸鈣的質量百分數，分別考察應用乙酸、NH4Cl以及CO2處理后分離磷酸鈣和碳酸鈣的效果。

2.1.1 乙酸溶液萃取效果分析

鑒于高濃度乙酸比低濃度乙酸的萃取能力強，為考察乙酸萃取分離碳酸鈣和磷酸鈣的效果，選擇低濃度的0.1%乙酸溶液進行實驗。結果發現，碳酸鈣能夠轉化成易溶的乙酸鈣溶入萃取液；但是將磷酸鈣加入0.1%乙酸溶液中時，溶液中Ca2+的溶出量也顯著增加。這說明0.1%乙酸也能使磷酸鈣部分溶入溶液中，因此，磷酸鈣的存在會影響乙酸萃取分析再造煙葉中碳酸鈣質量百分數的準確性。

2.1.2 NH4Cl溶液萃取效果分析

NH4Cl 是一種強酸弱堿鹽，其水溶液呈現弱酸性，可以增加碳酸鈣在水中的溶解性，在工業上也作為氯化劑氯化焙燒碳酸鈣得無水氯化鈣，已廣泛應用于氯化鈣的制備［33］，因此，考察了NH4Cl溶液萃取分離碳酸鈣和磷酸鈣的效果。鑒于高濃度NH4Cl溶液的萃取能力比低濃度的強，為提升NH4Cl 溶液萃取分離樣品中碳酸鈣和磷酸鈣的能力，選擇低濃度的1% NH4Cl溶液進行實驗。應用1% NH4Cl溶液分別萃取再造煙葉（RT）、再造煙葉與碳酸鈣的混合物（RT-CC，質量比為4∶3）、再造煙葉與磷酸鈣的混合物（RT-CP，質量比為4∶3）后，再應用離子色譜法測定溶液中Ca2+的質量，并比較Ca2+質量的變化，結果如表1所示。可以發現，RT-CC 與RT-CP 溶液中Ca2+的質量無顯著差異，且均比RT的高，但是Ca2+的增加量均低于加入鈣鹽中的Ca2+質量。這說明1% NH4Cl溶液不僅不能全部溶解碳酸鈣，而且還會部分溶解磷酸鈣，因此，NH4Cl溶液也不適宜用于準確分析再造煙葉中碳酸鈣的質量百分數。

表1 1% NH4Cl溶液萃取再造煙葉后溶液中Ca2+的質量Tab.1 Masses of Ca2+ in extraction solution from reconstituted tobacco extracted with 1% NH4Cl solution

2.1.3 CO2處理效果分析

為分析CO2處理準確測定再造煙葉中碳酸鈣質量百分數的可能性，手工制備2組再造煙葉樣品（E#、F#），E#再造煙葉樣品在制備時不加碳酸鈣，其余原料按照正常比例添加；F#再造煙葉樣品則為正常添加碳酸鈣的樣品，其余原料之間的比例與E#樣品一致。取相同質量的E#和F#樣品按照1.2.3節中方法處理，分析處理溶液中Ca2+的質量百分數，結果如圖1和圖2所示。從圖1 可見，對于E#樣品，通入CO2反應前后，Ca2+的色譜峰重合較好，Ca2+質量百分數并未發生明顯變化，說明通入足量CO2不會將除碳酸鈣外的難溶性鈣鹽溶解。從圖2 可見，對于F#樣品，通入CO2萃取后，Ca2+的色譜峰面積顯著增加，Ca2+的質量百分數明顯升高，這是因為通入大量CO2后，碳酸鈣與CO2反應生成了可溶的碳酸氫鈣。因此，應用CO2處理可以實現再造煙葉中碳酸鈣的測定。

圖1 E#樣品的色譜圖Fig.1 Chromatograms of sample E#

圖2 F#樣品的色譜圖Fig.2 Chromatograms of sample F#

為深入考察CO2處理分離碳酸鈣和磷酸鈣的效果，制備100 mL 再造煙葉的水提取液后，經不同處理得到4 組溶液樣品（A#，B#，C#，D#）進行后續實驗。A#組為取20 mL 的提取液后加入碳酸鈣，B#組為取20 mL的提取液后加入磷酸鈣，C#組為取20 mL的提取液后加入碳酸鈣和磷酸鈣的混合物，D#組為水提取液（空白）。分別在A#、B#、C#3組溶液樣品中通入足量的CO2，測定A#～D#4組樣品溶液中Ca2+的質量，結果見表2?？梢园l現，A#組中Ca2+的增量與加入的碳酸鈣中鈣的質量相當，說明A#組中碳酸鈣全部溶解；B#組中Ca2+的質量與空白D#組相比無顯著增加，這說明磷酸鈣未能與CO2反應轉移進入溶液中；C#組中Ca2+的質量雖有增加，但是明顯低于加入的Ca2+（折合）的總質量，且增加量與碳酸鈣中Ca2+（折合）的質量百分數相當。由此可見，通入足量的CO2能夠使碳酸鈣通過反應使Ca2+轉移到溶液中，而磷酸鈣不發生變化，實現了碳酸鈣與磷酸鈣的分離。因此，通入足量的CO2可用于準確測定再造煙葉中碳酸鈣的質量分數。

表2 通入足量CO2后溶液樣品中Ca2+的質量①Tab.2 Masses of Ca2+ in solution samples after inletting sufficient CO2

2.1.4 CO2處理時間的優化結果

鑒于CO2反應時間還與氣體壓力、流速密切相關，本方法在5×104Pa壓力下，以0.4 L/min的流速考察CO2的反應時間對提取液中Ca2+質量濃度的影響，結果如表3所示?？芍?，反應40 min 后，萃取液中Ca2+質量濃度較為穩定；隨著反應時間繼續增加，Ca2+質量濃度變化較小。為使反應效果更為充分，選擇反應時間為60 min。

表3 提取液中Ca2+質量濃度隨反應時間的變化Tab.3 Variation of Ca2+ mass concentration in extracts under different reaction time

2.2 方法學驗證

2.2.1 線性范圍、檢出限和定量限

按照1.2.1 節中方法配制質量濃度分別為0.3、0.6、1.5、3.0、6.0 mg/L 的Ca2+標準工作溶液，采用離子色譜電導檢測法，按照1.2.3 節中的色譜條件進樣分析測定。結果表明，Ca2+標準工作溶液在0.3～6.0 mg/L 質量濃度范圍內與其色譜峰面積線性關系較好，線性回歸方程為y=0.206 3x+0.012 6，決定系數為0.999 8。

將最低濃度的標準工作溶液重復測定10 次，計算10 次測定結果的標準偏差，根據標準偏差的3 倍和10 倍分別計算方法的檢出限和定量限。可知，Ca2+質量濃度的檢出限和定量限分別為0.018 6 和0.062 0 mg/L，再根據公式（1），最后計算得出方法的檢出限為0.12%，定量限為0.39%。由此可見，本方法靈敏度高、線性范圍寬，能夠滿足再造煙葉樣品中碳酸鈣質量百分數的準確測定。

2.2.2 方法的重復性和回收率

重復測定再造煙葉樣品中碳酸鈣質量百分數5次，結果分別為2.63%、2.82%、2.70%、2.70%和2.77%，平均值為2.72%，相對標準偏差（RSD）為2.69%。再對再造煙葉樣品進行高、中、低3 個水平的碳酸鈣加標回收率實驗，結果見表4?？芍?，方法的回收率為95%～102%。上述結果表明該方法的重復性較好，回收率較高，符合分析方法的要求。

表4 方法的回收率結果Tab.4 Recoveries of this method

2.3 實際樣品分析結果

選取5種再造煙葉樣品，先用去離子水萃取分析空白對照中Ca2+的質量百分數，再用CO2處理后分析Ca2+的增量，對比CO2反應前后再造煙葉樣品萃取溶液的色譜圖（圖3）可見，CO2反應后Ca2+質量濃度顯著增加，但其他離子色譜峰的面積變化不明顯。

圖3 典型再造煙葉樣品待測液的離子色譜圖Fig.3 Ion chromatograms of the test solutions from typical reconstituted tobacco samples

根據CO2反應前后Ca2+的增量，計算再造煙葉樣品中碳酸鈣的質量百分數，結果見表5?？芍?，5種再造煙葉中碳酸鈣的質量百分數介于2%～4%之間，最高值是最低值的1.53 倍，極差為1.13%。由此可見，不同產品中碳酸鈣質量百分數的波動較大，準確測定碳酸鈣的質量百分數將有助于分析不同產品之間的差異。

表5 不同再造煙葉樣品中碳酸鈣質量百分數的測定結果Tab.5 Mass percentages of calcium carbonate in five different reconstituted tobacco samples

3 結論

（1）基于碳酸鈣與CO2反應后可生成可溶性的碳酸氫鈣，而磷酸鈣不與CO2發生反應的原理，在碳酸鈣與磷酸鈣的混合體系中，通入足量的CO2可以實現碳酸鈣與磷酸鈣的分離分析。

（2）應用CO2處理可以有效避免磷酸鈣對碳酸鈣測定的干擾，因此，應用CO2處理可以準確測定再造煙葉中碳酸鈣的質量分數。經驗證，本方法的重復性和回收率較好，檢測限和定量限較低，符合分析方法的要求。

（3）5種不同再造煙葉樣品中碳酸鈣質量分數的測定結果表明，不同再造煙葉樣品中碳酸鈣的質量百分數波動較大，這也說明本法對于不同再造煙葉樣品具有較好的適用性。