卷烟主流烟气中无机态As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的形态分析

周茂忠，范允，张悠金，姚鹤鸣，洪深求，董建江，刘百战，陆怡峰，孙高军

1 中国科学技术大学，化学系，烟草与健康研究中心，合肥市金寨路96号230026;2 上海烟草集团有限责任公司，技术中心，上海市长阳路717号200082;3 安徽省烟草专卖局，烟草质量监督检测站，合肥市桐城南路372号230022

田海英1，董艳娟1，蔡莉莉1，张展1，宋金勇1，马宇平1，聂聪2，杨永锋1，谷令彪3，庞会利1,3，秦广雍3，陈伟1

1河南中烟工业有限责任公司技术中心，郑州市陇海东路72号 450000;2 中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州市高新区枫杨街2号 450001;3郑州大学物理工程学院，郑州高新技术产业开发区科学大道100号 450001

卷烟主流烟气中无机态As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的形态分析

周茂忠1，范允1，张悠金1，姚鹤鸣2，洪深求3，董建江3，刘百战2，陆怡峰2，孙高军3

1 中国科学技术大学，化学系，烟草与健康研究中心，合肥市金寨路96号230026;2 上海烟草集团有限责任公司，技术中心，上海市长阳路717号200082;3 安徽省烟草专卖局，烟草质量监督检测站，合肥市桐城南路372号230022

为更全面深入地评价卷烟烟气中砷的危害，建立了一种砷形态分离测定方法。用超声溶剂提取剑桥滤片捕集的卷烟主流烟气中的砷，AB-8大孔吸附树脂分离有机态和无机态砷，717强碱阴离子交换树脂进一步分离无机态中的As(Ⅲ)和As(Ⅴ)。对影响As(Ⅲ)和As(Ⅴ)分离的实验条件进行了研究，并确定了较佳分离条件。考察了分离方法的精密度和回收率，结果表明：该方法相对标准偏差（RSD，n=6）3.5%-4.7%，无机态砷加标回收率90.6%-102.4%。检出限和定量限分别为0.013μg/L和0.043μg/L。该方法准确、可靠，可有效地用于卷烟主流烟气中砷的形态分析。

砷（As）；形态分析；主流烟气；树脂；ICP-MS

砷是Hoffmann清单中44种有害成分之一,国际癌症研究机构（IARC）将卷烟烟气中的砷列为一类致癌物[1]。大量的研究表明，摄入或吸入砷可增加人患肺癌、皮肤癌、膀胱癌等风险[2-4]。抽吸卷烟时，砷随烟气进入人的呼吸系统。大量的毒理学评价表明，不同形态的砷具有不同的毒性[1,5]，无机态砷的毒性最大，而有机态砷的毒性较小，无机态砷中，As(III)的毒性十倍于As(V)[5,6]。因此，为了更加全面和科学的评价卷烟烟气中砷的危害性，不仅需要研究卷烟烟气中砷的总量，还需要对烟气中不同形态及价态砷的含量进行深入的研究。

然而，目前在砷形态分析的研究中，大部分集中于环境样品[7,8]、生物样品[9-11]、中药材等[12-16]，关于烟草和卷烟主流烟气中砷不同形态分析的研究报道极少[17,18]。仅有Liu等[19]采用同步辐射X射线吸收近边结构光谱法对烟丝、烟灰和主流烟气粒相物中砷的氧化态进行了分析，但未进行定量分析。因此，有必要建立一种准确可靠的主流烟气中不同价态砷的分离和检测方法。

本文建立了一种准确可靠的卷烟主流烟气中不同形态砷的分离测定方法：超声萃取剑桥滤片捕集的卷烟主流烟气粒相物，得可溶态砷溶液；用AB-8大孔吸附树脂分离可溶态中的有机态砷和无机态砷；717强碱性阴离子交换树脂分离无机态中的As(III)和As(V)，并对As(III)和As(V)分离条件进行了优化。试验中所有的样品都用ICP-MS检测，并考察了方法的精密度、回收率、检出限和定量限。

1 材料与方法

1.1 材料和仪器

（1）试剂。氢氧化钠、双氧水（30%，w/w）和无水乙醇（AR，上海国药化学试剂公司）；浓硝酸（65%，w/w）（德国Merck公司）；AB-8大孔吸附树脂（天津光复精细化工研究院）；717强碱性阴离子交换树脂（西安蓝晓科技新材料股份有限公司）。

（2）标样。亚砷酸盐标准溶液(1.011±0.016 μmol/g，GBW08666)和砷酸盐标准溶液(0.233±0.005 μmol/g，GBW08667)（国家标准物质研究中心）；ICP—MS无机态砷标准溶液(10 mg/L)（美国Agilent公司）。

（3）仪器。Milli-Q型超纯水仪（美国Millipore公司）；RM20H转盘式吸烟机（德国Borgwaldt公司）；SW12H超声清洗器（瑞士SONO SWISS公司）；7700S型电感耦合等离子体质谱仪（美国Agilent公司）。

1.2 方法

1.2.1 样品制备

a、捕集烟气：卷烟样品在GB/T 16450-1996[20]规定的条件下进行水分平衡，然后按GB/T 19609-2004[21]标准抽吸卷烟，用剑桥滤片收集主流烟气粒相物，每张滤片收集20支卷烟的烟气粒相物。

b、超声萃取：卷烟抽吸完毕后，取出滤片放入50mL塑料管中，并加入30 mL 超纯水，室温下超声萃取40min，然后将萃取液用0.45 μm滤膜过滤，滤液保存备用。

1.2.2 砷的形态分离

主流烟气中不同形态砷的分离分两个步骤进行：无机态砷和有机态砷的分离，无机态砷中As(III)和As(V)的分离。

无机态砷和有机态砷的分离：选取规格为Ø15 mm×300 mm的层析柱装填AB-8树脂，装填完成后用500mL超纯水清洗层析柱；定量吸取20mL烟气粒相物萃取液加入层析柱，调节树脂柱出口活塞，控制流速在3mL/min，用50mL塑料容量瓶接取流出液，待样品液面下降至树脂界面时，关紧出口活塞，加入1%（v/v）硝酸洗脱液，打开出口活塞，继续接取淋洗液，待接取液达到50.0mL时，关闭出口活塞，即得无机态砷样品溶液。再将70%（v/v）乙醇溶液加入层析柱，调节树脂柱出口活塞，控制流速在3mL/min，用50mL塑料容量瓶接取洗脱液，待接取液达到50.0mL时，关闭出口活塞，即得有机态砷样品溶液。同时应做空白试验。

无机态砷中As(III)和As(V)的分离：选取规格为Ø15 mm×300 mm的层析柱装填717强碱性阴离子交换树脂，装填完成后用500mL超纯水清洗层析柱；将无机态砷样品溶液加入层析柱，调节树脂柱出口活塞，控制流速在3mL/min，用50mL塑料容量瓶接取流出液，待样品液面下降至树脂界面时，关闭出口活塞，加入超纯水，打开出口活塞开始淋洗树脂，继续接取淋洗液，待接取液达到50.0mL时，关闭出口活塞，即得三价砷样品溶液；再将0.5mol/L 硝酸溶液加入层析柱，调节树脂柱出口活塞，控制流速在3mL/min，用50mL塑料容量瓶接取洗脱液，待接取液达到50.0mL时，关闭出口活塞，即得五价砷样品溶液。

1.2.3 样品检测

将工作标准溶液与分离得到的不同价态的砷样品溶液使用电感耦合等离子体质谱仪进行测定。用工作标准溶液制备工作标准曲线，在线加入内标溶液，以砷和内标元素的质荷比强度比对其相应浓度进行回归分析，得到标准曲线，工作标准曲线线性相关系数R2＞0.999。对分离后的样品溶液进行测定，测得砷和内标元素的质荷比强度比，代入标准曲线，求得样品中不同价态砷元素的含量。

质谱条件：电感耦合等离子体质谱仪，配八极杆反应池。

仪器条件：雾化室温度2.0℃；载气流速：0.85L/min；氦气流速：4.3mL/min；八极杆偏转电压：-18.0V；能量歧视：1.0V；RF功率：1550W；RF匹配：1.8V。

2 结果与讨论

2.1 主流烟气粒相物中砷的提取

2.1.1 萃取效率

[18]，采用水作为萃取剂。为了验证30ml超纯水能否将滤片中无机态砷完全萃取出来，进行了无机态砷加标实验：往剑桥滤片上滴入砷标准溶液，陈化，然后用此滤片进行卷烟抽吸，萃取，分离，检测萃取液中无机态砷含量，实验结果如表1所示。

表1 滤片中无机态砷加标实验结果Tab.1 Test results of the recovery of inorganic arsenic on fi lter

从表1中的结果可以看出，无机态砷的平均回收率为95.6%，这充分说明30 mL水能将滤片中的无机态砷完全萃取出来。

2.1.2 超声时间

为了获得从卷烟主流烟气总粒相物中提取砷的较佳实验条件，研究了超声提取时间对其提取量的影响。实验结果如图1所示，从图1中可以看出，当超声时间为10-40min时，萃取液中As的含量不断增加；当超声时间为40-50min时，萃取液中As的含量不再增加，趋于稳定，说明剑桥滤片捕集的主流烟气粒相物中砷已被充分提取。因此，试验中选择超声时间40min。

图1 超声时间对砷提取效果的影响（n=3，误差线=SD）Fig.1 Effect of ultrasonic time on the extraction of arsenic (n=3,error bars show standard deviation)

2.2 无机态和有机态砷的分离

因为主流烟气粒相物提取液的组成较为复杂，在砷的价态分离之前，应该先进行无机态砷和有机态砷的分离。参考文献[22-24]烟叶中砷的形态分离实验条件，试验中选择树脂高度10.0cm、样品溶液pH 3.0、无机态淋洗液硝酸浓度1%（v/v）、有机态淋洗液乙醇浓度70%为实验条件，实验结果如表2所示。由表2可以看出，相对标准偏差（RSD）为1.6%-2.8%，无机态砷的回收率为87.7%-107.2%。结果表明，该方法可以用于卷烟主流烟气中无机态和有机态砷的分离。

2.3 无机态砷中As（Ⅲ）和As（Ⅴ）的分离

由于717强碱性阴离子交换树脂能选择性的吸附五价砷离子，为了有效地分离主流烟气中As的不同价态，确定卷烟主流烟气中As(Ⅲ)和As(Ⅴ)分离的较佳实验条件，考察了树脂高度、样品溶液pH值、五价砷洗脱液硝酸溶液浓度对其分离效果的影响。

2.3.1 树脂高度

试验选取树脂高度分别为6.0cm、8.0cm、10.0cm、12.0cm进行卷烟主流烟气中无机态砷中As(III)和As(V)的分离，并进行加标回收率实验。不同树脂高度对As(V)回收率影响结果见表3。由表3可知，当树脂高度为6.0cm、8.0cm、10.0cm、12.0cm时，As(V)回收率分别为84.6%, 106.4%, 94.9%和83.7%。当树脂高度为10.0cm时，As(V)回收率接近100%，因此试验选取树脂高度10.0cm用于分离无机态砷中As(III)和As(V)。

表2 主流烟气粒相物萃取液中As无机态和有机态分离检测结果（n=6）Tab.2 Test results of the separation of inorganic and organic arsenic (n=6) μg·L-1

2.3.2 样品溶液pH值

由文献[25]可知，样品溶液的pH值对离子交换树脂的分离效率影响很大。试验选取卷烟主流烟气粒相物萃取液pH分别为3.0、5.0、7.0、9.0进行无机态砷中As(III)和As(V)的分离，并进行加标回收率实验。不同pH值对As(V)回收率的影响见表3。由表3可知，当样品溶液pH为3.0、5.0、7.0、9.0时，As(V)回收率分别为79.4%, 84.8%, 104.0%和67.9%。结果表明，当pH为7.0时，As(V)回收率最接近100%，因此试验选取样品溶液pH为7.0用于分离无机态砷中As(III)和As(V)。

2.3.3 HNO3溶液浓度

根据上述分离方法，考察了HNO3溶液浓度对As(V)回收率的影响，结果如图2所示。由图2可知，当HNO3溶液浓度从0.1mol/L增加到0.5mol/L时，As(V)的回收率持续增加并接近100%；当HNO3溶液浓度从0.5mol/L增加到0.7mol/L时，As(V)的回收率不再增加。因此，试验选取0.5mol/L作为较佳HNO3溶液浓度用于无机态砷中As(III)和As(V)的分离。

2.3.4 检测限和定量限

分别配制 0.5、1.0、2.0、3.0、5.0和10.0 μg/L的As(III)和As(V)标准溶液，在上述条件下检测得到工作曲线。对标准溶液中的目标物响应信号，采用最低浓度标样重复进样10次，取其3倍标准差为检出限、10倍标准差为定量限，得出As(III)和As(V)检出限为0.013μg/L，定量限为0.043μg/L。

2.3.5 精密度和回收率

为了验证卷烟主流烟气粒相物中As(III)和As(V)分离过程的精密度和回收率，按上述分离方法在最佳实验条件下进行了6次试验，在分离得到的无机态砷样品溶液中加入砷酸盐标准溶液，然后进行样品前处理和ICP-MS检测，并按照加标量和测定值计算其回收率。所得结果如表4所示。由表4可以看出，相对标准偏差为3.5%-4.7%，小于5%，As(V)的回收率在90.6%-102.4%之间。结果表明，该方法适用于分离主流烟气粒相物中的As(III)和As(V)。

表4 精密度和五价As回收率（n=6）Tab.4 Precision and recovery of the proposed method (n=6) μg·L-1

2.4 不同类型卷烟产品主流烟气中砷的形态分析

为了评价目前市场上的卷烟，运用此方法对不同类型的卷烟产品主流烟气中砷进行了形态分析，结果如表5所示。

表5 不同类型卷烟产品主流烟气中砷的形态分析Tab. 5 Speciation analysis of arsenic in mainstream cigarette smoke of different cigarettes μg·L-1

3 结论

本文建立的主流烟气粒相物中不同形态砷的分离检测方法，对实验条件进行优化后，得到了满意的检测结果。结果表明，40min超声时间用于萃取剑桥滤片捕集的主流烟气粒相物中的As，717强碱性阴离子交换树脂、树脂高度10.0cm、无机态砷样品液pH 7.0、五价砷淋洗液HNO3浓度0.5mol/L是分离主流烟气粒相物中As(III)和As(V)的较佳实验条件。考察方法精密度和回收率的结果表明，方法的相对标准偏差为3.5%-4.7%，回收率为90.6%-102.4%，该方法是准确的、可靠的。

目前，常见的分离方法有气相色谱(GC)、高效液相色谱(HPLC)、离子色谱(IC)、毛细管电泳(CE)等，上述分离方法，自动化程度高，能进行连续在线分离。但是上述分离手段，复杂，对实验室硬件要求较高。而本文建立的方法条件简单，易于操作，可以在大多数实验室实现，具有较强的推广价值和可操作性。

由于不同形态的砷具有不同的毒性，因此以卷烟烟气中的砷总量来评定卷烟，具有局限性。而目前关于烟草中砷的研究，大部分集中于总量。本文建立的卷烟主流烟气中不同价态砷元素含量的分离检测方法，便于烟草行业相关技术人员对主流烟气中不同价态砷元素的含量进行定量测定和控制，并为烟草行业全面客观评价卷烟主流烟气中砷元素的危害性提供有力的技术支撑。

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:ZHOU Maozhong, FAN Yun, ZHANG Youjin, et al. Speciation analysis of inorganic As(Ⅲ) and As(Ⅴ) in mainstream cigarette smoke [J]. Acta Tabacaria Sinica, 2015, 21(4)

制造技术

亚临界萃取技术在卷烟减害降焦中的应用研究

田海英1，董艳娟1，蔡莉莉1，张展1，宋金勇1，马宇平1，聂聪2，杨永锋1，谷令彪3，庞会利1,3，秦广雍3，陈伟1

1河南中烟工业有限责任公司技术中心，郑州市陇海东路72号 450000;2 中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州市高新区枫杨街2号 450001;3郑州大学物理工程学院，郑州高新技术产业开发区科学大道100号 450001

摘 要：采用亚临界萃取技术处理卷烟烟丝，考察处理后烟丝加工性能、化学成分、挥发性有机物、农药残留、烟气常规指标及感官质量的变化情况。结果表明：亚临界萃取处理后的烟丝耐加工性略微变差，但不影响其可用性；萃取过程无溶剂残留；在对照样中检出的三种农残，二甲醚处理的样品中均未检出，丁烷处理样三种农残的去除率分别为50.0%、43.8%和70.0%；二甲醚和丁烷处理样制成卷烟后主流烟气中焦油的释放量分别降低了12.7%和8.5%，水分、CO和烟气烟碱量也有不同程度降低；感官评吸显示柔细程度、余味、刺激性均好于对照；二甲醚处理样卷烟烟气中除NNK和巴豆醛的释放量基本不变外，苯酚、HCN、氨、CO及苯并[a]芘的释放量分别下降了19.7%、18.8%、33.3%、19.5% 和 25.2%，卷烟危害指数由13.5降至10.9。说明亚临界萃取技术适用于卷烟的减害降焦。

关键词：亚临界萃取；烟丝；保形；减害降焦

引用本文：田海英，董艳娟，蔡莉莉,等. 亚临界萃取技术在卷烟减害降焦中的应用研究 [J]. 中国烟草学报，2015,21（4）

基金项目：河南中烟工业有限责任公司科技项目“烟丝保形减害降焦亚临界萃取技术”（HNZY012012348）；国家烟草专卖局减害重大专项项目“选择性降低氰化氢和氨的配方技术研究及应用”（110201301024 JH-05）

作者简介：田海英（1978 —），硕士研究生，高级工程师，主要从事烟草化学研究，Tel: 0371-66379101 ，Email:haiying fl ying@163.com

通讯作者：陈伟（1972 —），硕士研究生，工程师，主要从事烟草原料研究，Tel: 0371-66379715 ，Email: chenw@hatic.com

收稿日期：2014-08-21

吸烟与健康问题，一直是制约行业长期稳定发展的最主要因素。《烟草控制框架公约》签署实施以来，世界上一些主要发达国家相继对市售卷烟的焦油、烟碱及CO做出了具体限量限制；同时，随着消费者对吸烟的安全性和环境保护意识的增强，国际烟草也面临前所未有的压力。因此，开发低危害的卷烟，不仅是烟草行业发展和生存的必然趋势，也是国家烟草专卖局关于行业卷烟降焦减害的发展战略之一[1]。

众所周知，焦油是卷烟烟气中主要有害物[2]，因此，降低卷烟中焦油释放量是各烟草企业发展的主攻方向。我国卷烟的焦油释放量呈现不稳定的特征。在把握“高香气、低焦油、低危害”[3]原则的基础上，如何降低卷烟焦油释放量，是烟草行业和医学界普遍关心的问题。经过多年“减害降焦”的研究，国内外卷烟企业已积累一些控制卷烟焦油量的手段，在加工技术方面先后开发了一系列降焦技术，如改进卷烟纸自然透气度[4]、通风稀释[5]、调整烟丝结构中梗丝、膨胀烟丝和烟草薄片的比例、多种形式的滤嘴等新技术，综合利用多项新技术来调节卷烟的焦油等有害成分产生量[6-7]。但这些技术都是通过调节主流烟气的释放量，从而降低卷烟的危害，没有去除烟草本身的有害物质及烟气中有害成分的前体物，未能从本质上解决问题。近年来，超临界流体萃取技术(Supercritical Fluid Extract，SFE)作为一种新型的分离技术迅速发展起来，在烟草行业中也有所应用，包括烟草脱烟碱、提取香味成分、烟丝膨胀及烟草成分分离中都有涉及[8-10]，但因为超临界流体萃取所用的溶剂CO2的临界压力为7.39 MPa，为了提高萃取效率，其萃取工艺过程的压力通常为20～30 Mpa，直接导致了超临界萃取对设备安全性要求很高，设备成本及运行能耗都很高，从而限制了其在工业上的应用。而亚临界萃取技术除了具备萃取效率高、选择性好以及无溶剂残留等超临界流体萃取技术具备的优点之外[9]，其正常工作压力仅为0.1～0.6 MPa，工作温度为20～30℃，与超临界萃取相比大大降低了设备投资，提高了安全性，易于产业化。为了降低多环芳烃类等有害成分前体物，卷烟工业曾研究用烷烃类溶剂萃取烟丝[11]，或利用分子筛技术过滤[12]，但均因成本高等因素未见产业化报道。

亚临界萃取技术是利用亚临界流体作为萃取剂，在密闭、无氧、低压的压力容器内，依据有机物相似相溶的原理，通过萃取物料与萃取剂在浸泡过程中的分子扩散，达到固体物料中的脂溶性成分转移到液态的萃取剂中，再通过减压蒸发的过程将萃取剂与目的产物分离，最终得到目的产物的一种新型萃取与分离技术[13]。目前该技术已经在油脂、香精香料、色素及中草药等的提取方面得到广泛应用，并已逐步开始在天然植物的农残脱除、提升低次烟丝品质等方面进行应用。专利“一种利用亚临界萃取技术提取烟草中质体色素的方法”，利用亚临界萃取技术提取得到了烟草中的质体色素[14]；专利“一种利用亚临界干洗技术去除天然植物农药残留的方法”，利用亚临界技术去除了包括烟草在内的天然植物中的农药残留[15]；专利“一种使用亚临界干洗技术提高低次烟丝使用价值的方法”，利用亚临界技术提升了低次烟丝的品质[16]。

亚临界烟丝萃取是以亚临界流体为萃取溶剂，在保证成品烟丝外形的情况下将其打包，整体置于密闭萃取罐中，对成品烟丝进行萃取，可适当降低烟丝烟碱、焦油及其它有害成分的前体物质。本研究采用亚临界萃取技术处理烟丝，并考察了处理后烟丝加工性能、化学成分、挥发性有机物、农药残留、烟气常规指标及感官质量的变化情况，期望为卷烟降焦减害，并进一步提高卷烟安全性提供理论和数据基础。

1 材料与方法

1.1 材料和仪器

（1）材料：福建南平B2F烤烟样品。

（2）试剂和标准品

甲醇、乙腈、异丙醇、环己烷（色谱纯，J. T.Baker）；盐酸、氢氧化钠（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）；9种常规成分分析用标准品（国药集团化学试剂有限公司）；120种农药标准品（Dr. Ehrenstorfer GmbH）；16种VOCs标准品（Dr.Ehrenstorfer GmbH）；CO标准气体（国家标准物质中心）；烟碱（标准物质，纯度≥99%，国家烟草质量监督检验中心）；NNK、B[a]p、巴豆醛的2，4-二硝基苯腙、苯酚、氨、HCN（标准物质，纯度≥98%，Sigma-Aldrich）。

（3）仪器设备

亚临界溶剂萃取小试设备（CBE-5L型，河南省亚临界生物技术有限公司）；Agilent 7890A /5975C气相色谱质谱联用仪（配G1888顶空进样器，Agilent公司）； Agilent 1200/API 4000液相色谱串联质谱联用仪（配电喷雾离子源ESI，AB SCIEX公司）；AA3连续流动分析仪（Alliance公司）；ICS-3000离子色谱仪（美国戴安公司）；Agilent 7890A/CSI TEA610气相色谱-热能分析仪； 7890A气相色谱仪（配TCD和FID 检测器，Agilent 公司）；CP2245电子天平（感量0.0001g，Sartorius公司）；VtexMixer VX200振荡器（Labnet公司）；高速冷冻离心机（Sigma公司）；TruboVap LV型氮吹浓缩仪（Biotage公司）；Cerulean SM450直线型吸烟机（Cerulean公司）；YQ-2型烟丝振动分选筛（郑州嘉德机电科技有限公司）；双85型恒温恒湿试验箱（三木科技有限公司）。

1.2 分析方法

样品的常规化学成分（总糖和还原糖、总氮、蛋白质、总植物碱、硝酸盐、钾、氯）按照烟草行业标准，用连续流动分析仪测定[17-23]；烟丝结构按照烟草行业标准进行测定[24]；样品的农药残留按照烟草行业标准进行测定[25-29]，平行检测两次，取平均值；样品的挥发性有机物含量按照烟草行业标准，用顶空-气相色谱法测定[30]；按照标准[31-32]调节并抽吸卷烟样品；分别按照标准[33-39]测定卷烟主流烟气中的氰化氢、苯酚、巴豆醛、苯并[a]芘、氨、NNK和CO；按照GB/T23355-2009[40]方法测定烟碱、GB/T 19609-2004[41]方法测定焦油；按照GB 5606.4-2005[42]对卷烟进行感官评吸。

1.3 萃取实验

亚临界萃取实验流程见图1。萃取前烟丝在恒温恒湿试验箱平衡水分48h，平衡条件：温度（22±1）℃，湿度（60±2）%。为确保细胞壁中物质被充分溶出，对平衡后的烟丝进行微波30s破壁处理。采用丁烷和二甲醚两种萃取溶剂分别对烟丝进行处理。萃取条件：温度35℃，时间30min，萃取2次。萃取完成后，将烟丝从萃取罐中整体取出，平衡水分待用。萃取流程如图1所示：

图1 亚临界萃取实验流程图Fig.1 Flow diagram of subcritical extraction experiments

1.4 分析实验

利用1.1中的实验仪器，依据1.2所列分析方法，分别考察了处理后烟丝加工性能、化学成分、挥发性有机物、农药残留、烟气常规指标及感官质量的变化情况。

2 结果与讨论

2.1 烟丝的加工性能变化

实验发现，经过亚临界萃取技术处理的烟丝，除颜色稍微变淡外，其外观形状保持良好，烟丝结构变化的测定结果如表1所示。并未明显增加烟丝的造碎率。可以看出，烟丝样品经萃取后，烟丝长丝率普遍降低，丁烷处理和二甲醚处理后长丝比例分别降低了9.3%和11.2%，碎丝比例所占比例则分别升高1.4%、1.8%。整体来看，萃取后烟丝的长丝率变低，碎丝比例稍有增加，这可能是处理前后烟丝打包及拆包产生的，另外一个原因是萃取强度过大，导致过多可溶物被萃取出来，从而影响了烟丝本身的结构，增加了造碎。要解决这个问题，保持烟丝外形完整性，可适当降低萃取强度，减少对结构的破坏，在提取有害物质及前体物的同时，保持烟丝外形，不影响其耐加工性能，这部分工作本实验室正在进行相关的研究。

表1 萃取前后烟丝结构变化Tab.1 Changes of cut-tobacco structure before and after treatment

2.2 常规化学成分的分析

常规化学成分的含量是评价烟丝质量的重要依据，因此，实验考察了亚临界萃取对烟丝的常规化学成分含量的影响，实验结果见表2。结果显示，经过亚临界流体的萃取，烟丝中的一些成分溶解到了有机萃取剂中，萃取后烟丝重量稍有降低，烟丝的总氮和蛋白质含量明显降低，总植物碱也有一定的降低。这可能是因为烟丝中存在的蛋白质、烟碱、及少量硝酸盐、及亚硝酸盐被溶出。总糖、还原糖基本不变，因为蔗糖、麦芽糖、淀粉、葡萄糖，果糖，戊糖，乳糖等几乎不溶于二甲醚和丁烷。钾和氯在萃取前后也几乎没有变化，原因可能是钾和氯在烟草中以离子状态存在，不溶于有机溶剂而未被萃取出来。由此可见，亚临界萃取技术在降低烟丝烟碱等有害物质及前体物、减少卷烟危害方面具有较好的应用前景；另外，部分化学成分会有增加或降低的不同趋势，可以利用这种趋势，采取相应的实验手段，从而达到有选择性地降低有害成分的目的。

表2 萃取前后烟丝化学成分分析结果Tab.2 Analysis of chemical compositions in cut-tobacco before and after treatment

2.3 溶剂残留分析

由于实验采用亚临界有机溶剂对烟丝进行萃取，可能会产生溶剂及其它有机物的残留，带来安全隐患，因此，对萃取后烟丝中的溶剂残留分析就显得尤为重要。实验参照行业标准[30]采用顶空-气质联用法考察了二甲醚、丁烷和其它可能通过溶剂引入的16种挥发性有机成分（VOCs）[30]的残留量。表3结果显示，未发现二甲醚和丁烷以及VOCs成分残留，可见，亚临界萃取技术不会在处理烟丝中引入所检测的16种VOCs。

表3 萃取前后烟丝挥发性有机物含量检测结果Tab.3 Test of VOCs concentration in cut-tobacco before and after treatment

2.4 农药残留量的分析

农药残留量也是影响卷烟安全性的重要因素，实验依据有关行业标准，对120种农药残留进行了检测，结果见表4。结果显示，原烟丝中检测到有仲丁灵、氟节胺和二甲戊灵三种植物生长调节剂残留，处理过的烟丝中农残量比原烟丝大幅减低，二甲醚处理组的样品中三种农残均未检出，丁烷处理组三种农残的去除率分别为50.0%、43.8%和70.0%。由结果可见，亚临界萃取对烟丝中的农药残留也有一定的去除作用，分析可能的原因，是所使用亚临界流体为非极性或弱极性有机物，对脂溶性农药的溶解性能较好，所以可以达到很好地去除效果。

表4 萃取前后烟丝农药残留检测结果Tab.4 Test of pesticides residue in cut-tobacco before and after treatment

2.5 主流烟气检测

表5是实验烟丝制成卷烟后主流烟气的检测结果。从表中可以看出经二甲醚和丁烷处理后，除吸阻和抽吸口数无明显变化外，二甲醚处理样和丁烷处理样中焦油释放量分别由原样中的21.2mg，下降到了18.5mg和19.4mg，分别下降了12.7%和8.5%。水分、CO和烟气烟碱量也有不同程度的降低。

表5 萃取前后烟丝卷烟主流烟气检测结果Tab.5 Mainstream cigarette smoke components before and after treatment

2.6 感官分析

为了验证烟丝萃取后质量能够满足产品需求的可行性，对萃取后的烟丝样品进行感官评吸，评价结果如表6所示。由结果可以看出，随着萃取烟碱比例的增大，烟丝劲头有所降低。经丁烷提取后的样品中各项品质和对照都比较接近，但整体感觉烟气口感有变差趋势；经二甲醚处理后的样品则在柔细程度、杂气、刺激性等方面均好于对照，且清甜感比较明显。两种萃取剂相比较，用二甲醚萃取后烟丝感官质量整体要好于用丁烷处理的样品。这主要是因为二甲醚有约三分之一水溶性，可同时提出烟丝中的脂溶性成分和一部分水溶性成分，而丁烷只能提取烟丝中的脂溶性成分[43]。相关香味成分、萃取物成分分析等相关研究会在后续报道中展现。

表6 萃取烟丝卷烟主感官质量评价结果Tab.6 Sensory quality evaluation of cigarettes before and after treatment

2.7 卷烟有害成分释放量的变化

根据感官分析的结果，本研究仅考察了二甲醚处理组在萃取前后烟丝卷烟的有害成分变化情况，检测结果如表7所示。由结果可以看出除NNK和巴豆醛基本不变外，苯酚、HCN、氨、CO及苯并[a]芘含量分别下降了19.7%、18.8%、33.3%、19.5%和25.2%，卷烟危害指数由13.5降低为10.9，降低了19.3%。可见亚临界萃取可以有效降低烟丝中有害成分的前体物，从而降低卷烟主流烟气中有害成分的释放量，降低卷烟的危害指数。有害成分形成机理的研究[44-46]表明，烟碱、蛋白质、硝酸盐等含氮物质是主流烟气中氨、氢氰酸等的主要前体物，烟丝常规成分检测结果表明亚临界萃取技术能够降低烟丝中烟碱、蛋白质等含氮物质，理论上应该能够降低氨、氢氰酸等有害成分的释放量，对烟气中7种有害成分的检测结果也印证了这一推理。

表7 萃取前后烟丝卷烟有害成分检测结果Tab.7 Test of harmful components in cigarettes before and after treatment

3 结论

在亚临界条件下，用二甲醚和丁烷处理样品，烟丝中烟碱含量分别下降了7.2%和5.0%，卷烟主流烟气中焦油的释放量分别降低了12.7%和8.5%；同时还降低了烟丝中的农药残留量；二甲醚处理组卷烟烟气中除NNK和巴豆醛的释放量略有增加外，苯酚、HCN、氨、CO及苯并[a]芘的释放量分别下降了19.7%、18.8%、33.3%、19.5% 和 25.2%，卷烟危害指数由13.5降至10.9。同时，卷烟感官评吸的柔细程度、余味、刺激性等项目均好于对照。

相比其它提取分离方法，亚临界萃取技术是一种纯物理萃取技术，可保持烟丝外观形状完好，对烟丝的耐加工性影响不大，不影响其可用性，萃取过程也未引入挥发性有机物。并具有设备成本低、安全系数高、产能大、能耗低，溶剂可循环使用等优点，可产业化应用于卷烟减害降焦。

卷烟的燃烧是一个非常复杂的物理、化学变化过程，各组分相互影响和制约，亚临界萃取处理技术在降焦、降烟碱、减害、改善感官等方面初步显示了一定优势，但其机理以及萃取前后香味成分变化的情况等，仍有待进一步研究。

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Abstract:Subcritical extraction technology was applied to cut-tobacco. Its changes of process ability, chemical components, volatile organic compounds (VOCs), pesticides residue, main stream smoke, and sensory quality of cigarette after processing were investigated.Results indicated that subcritical extraction weakened the processing-resistance capability of cut-tobacco, but didn’t affect its usability,and there were no organic solvent residues in the cut-tobacco. No pesticide residue was found in samples from dimethyl ether treatment group and the removal rate in butane treatment group was 50.0%, 43.8% and 70.0%, respectively. In dimethyl ether and butane treatment group, tar delivery in mainstream smoke decreased by 12.7% and 8.5% respectively, and water, CO and nicotine also declined to some extent. Sensory evaluation results, including tender degree, aftertaste and irritation, in two treatment group, were both better than control.Deliveries of phenol, HCN, ammonia, CO and benzopyrene in mainstream smoke of dimethyl ether treatment group reduced by 19.7%,18.8%, 33.3%, 19.5% and 25.2% respectively, and NNK and crotonaldehyde showed no obvious change. The hazard index was reduced from 13.5 to 10.9. Subcritical extraction technology was proved to be applicable in reducing tar delivery and other hazards in cigarettes.

Keywords:subcritical extraction; tobacco; shape-preserving; reducing tar and other hazards

Citation:TIAN Haiying, DONG Yanjuan, CAI Lili, et al. Application of subcritical extraction technology to reducing tar delivery and hazardous components in cigarettes [J]. Acta Tabacaria Sinica, 2015, 21(4)

Speciation analysis of inorganic As(Ⅲ ) and As(Ⅴ ) in mainstream cigarette smoke

ZHOU Maozhong1, FAN Yun1, ZHANG Youjin1, YAO Heming2, HONG Shenqiu3, DONG Jianjiang3,LIU Baizhan2, LU Yifeng2, SUN Gaojun3
1 Department of Chemistry, Research Center of Tobacco and Health, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China；2 Shanghai Tobacco Group Co., Ltd.，Shanghai 200082, China；3 Tobacco Quality Supervision amp; Test Station, Anhui Provincial Tobacco Monopoly Administration, Hefei 230022, China

An accurate and reliable separation and determination method of different arsenic species was developed to evaluate hazard of arsenic in cigarette smoke. Arsenic in mainstream cigarette smoke condensate which was collected by Cambridge fi lter was obtained by ultrasonic extraction. Inorganic and organic arsenic were separated by AB-8 macroporous resin, and As (III) and As (V) were further separated by 717 anion exchange resin. Effect of different experimental conditions on the separation of As (III) and As (V) was studied,and the optimal conditions were established. Precision and recovery of the separation method were investigated, and the relative standard deviation was in the range of 3.5-4.7% and the recovery of inorganic arsenic was 90.6-102.4%. Results also showed that the proposed method was effective for speciation analysis of arsenic in mainstream cigarette smoke.

arsenic; speciation analysis; mainstream cigarette smoke; resin; ICP-MS

Application of subcritical extraction technology to reducing tar delivery and hazardous components in cigarettes

TIAN Haiying1, DONG Yanjuan1, CAI Lili1, ZHANG Zhan1, SONG Jinyong1, MA Yuping1, NIE Cong3, YANG Yongfeng1,GU Lingbiao3, PANG Huili1,3, QIN Guangyong3, CHEN Wei＊1,
1 China Tobacco Henan Industrial Co., Ltd., Zhengzhou 450000, China;2 Tobacco Research Institute, CNTC, Zhengzhou 450001, China;3 School of Physical Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China;

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中国烟草总公司科技重点项目合同“烟叶中不同形态及烟气中不同价态重金属的分离及检测技术开发”（110201202006）

周茂忠（1990—），在读硕士研究生，主修烟草化学，Email：zhoumzh@mail.ustc.edu.cn

张悠金（1955—），Email：zyj@ustc.edu.cn

2014-12-01