烟支黄斑污染物的追溯与鉴别

杨 蓝，周沅桢，刘 泽，邱昌桂，羊一涛*，李国智，龙雨蛟

(1.红云红河(集团)有限责任公司红河卷烟厂，云南 弥勒 652399； 2.云南中烟工业有限公司技术中心，云南 昆明 650032； 3.云南同创检测技术股份有限公司， 云南 昆明 650106)

黄斑烟是指成品烟支上出现的黄褐色斑点，新版卷烟国标中明确将黄斑烟作为卷烟外观的B类缺陷，烟支表面黄斑不仅影响烟支的外观质量，还容易改变烟气中的香味成分，进而影响卷烟的抽吸品质[1-2]。卷烟制造过程中，黄斑烟的产生可能来源于以下几个环节：烟机设备故障造成的隐性渗油，空调设备的水蒸气冷凝渗水，加香、加料不均匀。目前对于黄斑烟的排查问题未见文献报道。笔者等针对实际生产过程中产生的黄斑烟问题以及黄斑烟支表面污染面积小，难以取样的特点，采用具备高灵敏度、高分辨率的傅立叶变换红外光谱(FT-IR)[3]结合气相色谱质谱联用(GC/MS)分析技术对其进行红外吸收光谱鉴别和内在化学成分的分析，探明烟支斑污染物的类型及来源以期为烟支黄斑污染物的溯源提供一套科学的鉴别方法。

1 材料与方法

1.1 材料

样品：某牌号黄斑烟支样品(红河卷烟厂)；各疑似污染物样品共50个(具体样品信息见表1)。

仪器：Nicolet670 FT-IR傅立叶变换红外光谱仪及直径3mm的KBr压片模具等相关配件(美国Nicolet公司)，HP5973 GC/MS气相色谱质谱联用仪(美国Agilent公司)。

试剂：溴化钾(KBr)(分析纯，美国百灵威公司)，正戊烷(GR，迪马公司)，环己烷(GR，迪马公司)，无水硫酸钠(AR，天津科密欧公司)。

1.2 分析方法

首先采用红外光谱的匹配性对烟支黄斑污染物和疑似污染源进行快速的判别分析，找出可能的疑似污染源，然后利用气相色谱质谱联用(GC/MS)检测技术对其内在化学成分进行深入的定性分析，从而精确的确定黄斑烟支的污染源头。

表1 黄斑烟支疑似污染物源样品信息

1.2.1 FT-IR傅立叶变换红外光谱仪分析

1) 黄斑烟支污染物样品。用刀片划取黄斑烟支被污染区域的卷烟纸，收集约0.5 g于25 mL具塞三角瓶中，加入10 mL正戊烷，超声萃取15 min，用胶头滴管吸取萃取液于10 mL离心管中，加入少许无水硫酸钠干燥，取上层清液少许，均匀涂于已压成KBr窗片(直径3 mm)上形成样品膜，再用红外灯照射样品窗片使正戊烷完全蒸发后进行红外光谱扫描；同时以相应正常烟支卷烟纸正戊烷萃取液涂抹的KBr窗片为空白扣除背景。

2) 液状或膏状油类疑似污染源样品。用刮刀取适量的试样均匀涂于已测定背景的KBr窗片(直径3 mm)上，进行红外光谱扫描。

3) 香精、糖料类疑似污染源样品。由于其含有一定量水分，取1 mL样品于10 mL离心管中，加入少许无水硫酸钠干燥后，取少许样品液，均匀涂于已测定背景的KBr窗片(直径3 mm)上，进行红外光谱扫描。

4) 烟丝、烟垢、烟叶类疑似污染源样品。取约1 g 于25 mL具塞三角瓶中，加入10 mL正戊烷，轻微振荡后，用胶头滴管吸取萃取液于10 mL离心管中，加入少许无水硫酸钠干燥，取上层清液少许，均匀涂于已压成KBr窗片(直径3mm)上形成样品膜，再用红外灯照射样品窗片使正戊烷完全蒸发后进行红外光谱扫描；同时以相应正常烟丝、烟垢、烟叶样品正戊烷萃取液涂抹的KBr窗片为空白扣除背景[4]。

5) 黄斑烟支污染物与筛选出的疑似污染比较。为了更直观的比较黄斑烟支污染物与筛选出的疑似污染物红外光谱图，将筛选出的黄斑烟的疑似污染物(1#和41#样品)与黄斑烟支污染物的红外光谱图进行重叠比较。

6) 光谱分离检索。利用混合物分离软件OMNIC Specta对黄斑烟支污染物光谱进行分离检索。

1.2.2 气相色谱质谱联用仪分析前处理

1) 黄斑烟支污染物样品。用刀划取黄斑烟支被污染区域的卷烟纸，约1 g于25 mL具塞三角瓶中，加入15 mL环己烷，超声波萃取15 min，用胶头滴管吸取萃取液于100 mL圆底烧瓶中，并取适量环己烷洗涤样品，合并洗涤液，加入5 mL 1%H2SO4-CH3OH甲酯化溶液，在70℃水浴锅上加热回流60 min，冷却后，移入分液漏斗中，用适量环己烷洗涤圆底烧瓶，合并洗涤液于分液漏斗中，重复加入2 mL蒸馏水洗涤，取上层有机相合并于25 mL具塞三角瓶中，加入适量无水硫酸钠干燥过滤后，于80 ℃水浴旋转蒸发浓缩至约为2 mL，移入色谱进样瓶中待测[5-6]。

2) 液状或膏状油类疑似污染源样品。取约0.05 g 液状或膏状油类样品于100 mL圆底烧瓶中，加入2 mL环己烷，使样品溶解，再加入5 mL 1%H2SO4-CH3OH甲酯化溶液，于70 ℃水浴锅上加热回流60 min；后续同前述黄斑烟支的处理方法一样进行处理后，移入色谱进样瓶中待测。

1.2.3 GC/MS分析色谱柱：HP-5MS毛细管柱 (30 m × 0.25 mm, 0.25 μm)；载气为氦气 (纯度为99.999%)，流速1mL/min。程序升温：40℃保持3 min 后升温至240℃，保持2 min后升温至 280℃，保持5 min；进样口温度：280℃，分流比为20∶l，传输线温度280℃，电离方式为电子轰击源 (EI)，电子能量70 ev；扫描方式为全扫描；扫描范围29～ 450 amu;离子源温度230℃，四级杆温度150℃，无溶剂延迟。对烟支黄斑裂解产物中的挥发性成分采用 NIST2008和 WILEY07标准谱库检索定性，采用峰面积归一化法定量。

2 结果与分析

2.1 烟支黄斑污染物红外光谱及特征基团

从图1可知，在4 000～400 cm-1产生一系列红外光谱吸收峰，特别在3 006 cm-1、2 924 cm-1、2 853 cm-1、1 743 cm-1、1 462 cm-1产生强烈的红外光谱吸收峰，说明其具有良好的红外吸收特性。此外，图1中的红外特征吸收基团有以下特征：

图1烟支黄斑污染物的红外光谱图

Fig.1 Infrared spectra of pollutant source of macular in cigarettes

1) 具有强不饱和双键的CH伸缩振动峰；2) 有强的羧酸或酯类C=O(羰基)伸缩振动峰；3) 有多个-CH2-(亚甲基)或-CH2振动峰[7]。说明，该黄斑烟支上的污染物为长碳链并含有单个或多个不饱和酸或酯类化合物。

2.2 各疑似污染源红外光谱及特征基团分析

对所选取的50个疑似污染物进行分析并建立红外光谱图库，因样品数量过多，仅列出有代表性样品红外光谱图，如图2所示。

2.2.1 润滑油(脂)类样品39个润滑油(脂)类样品(包括：2#～40#样品)，整体上红外光谱基线较平稳，在2 924 cm-1和2 854 cm-1左右都有两个强红外吸收峰，为-CH2-(亚甲基)的CH(反称)和CH(对称)伸缩振动峰(图2A、2B)。

具体表现为：1)在1 462 cm-1和1 377 cm-1左右，有两个中等强度的吸收峰，为物质分子中链状烷烃-CH2-(亚甲基)或-CH2的CH弯曲(面内)振动峰，且1 377 cm-1的峰高约为1 462 cm-1峰高的1/12；2)在724 cm-1、726 cm-1和728 cm-1有振动频率较大的-CH2-(亚甲基)弯拆振动峰，说明样品分子中不含有不饱双键，且碳链较少，-CH2-(亚甲基)数目不多于5个[8-9]。

润滑油(脂)类样品虽然在1 462 cm-1和1 377 cm-1左右与黄斑烟支污染物红外光谱具有相同的特征峰。但在3 007 cm-1左右无任何吸收峰；1 745 cm-1左右基本无羧酸酯类C=O(羰基)伸缩振动峰与黄斑烟支污染物红外光谱特征具有明显的差异，因此可排除该类型疑似污染物。

2.2.2 糖料、香精、烤烟提取物及烟垢类样品7个糖料、香精、烤烟提取物及烟垢类样品(包括44#～50#样品)。整体红外光谱波动较大，在3 800 cm-1左右有强-OH振动峰，说明样品中水分含量较大，同时也影响了整体基线波动较大(图2C)。

具体表现为：1)在3 000～2 800 cm-1有3个较弱的红外吸收峰；为烷烃类CH伸缩振动；在1 637 cm-1左右有1个强吸收峰，为芳酮类1-酮基2-羟基或氨芳酮的C=O伸缩振动；2)在1 210～1 035 cm-1有多个中等强度醚类C-O伸缩振动峰；在1 460 ～1 220 cm-1有多个较弱的羧酸、醇、酚、醚类等的OH振动峰；3)在830～1 000 cm-1有多个中等强的杂环芳香族化合物喹啉、吡啶-CH弯拆振动、环上γ-CH取代面外弯拆或硝基化合物的CN伸缩振动；4)在3 432 cm-1左右有较强的OH振动峰，说明样品中有较强的水分峰，样品含量水分较大[10-11]。

糖料、香精、烤烟提取物及烟垢类样品红外光谱特征与烟支黄斑污染物红外光谱特征具有明显的差异，因此可排除该类型疑似污染物。

2.2.3 其余样品余下1#、41#～43#样品中，42#为试验中进行验证的样品，在实际生产中并不使用，43#为滤棒添加剂也排除不作考虑，仅剩下卷包工序的41#香油和打叶复烤工序的1#叶烤机润滑油。从图2D、2E可看出具有与黄斑烟支污染物相同红外吸收特征峰，因此初步推断出污染物来源于1#和41#样品。

图2部分疑似污染源红外光谱图

2.3 黄斑烟支污染物与筛选出的疑似污染物红外光谱化学成分比对

从图3可知，1)烟支黄斑污染物具有与所有油类样品化学成分分子结构相同的烃类基团[12]；2)烟支黄斑污染物与1#和41#样品具有完全相同的红外特征峰，且3个样品都含不饱和双键，这与其余润滑油、润滑脂类样品物质分子基团完全不同；3)黄斑烟支污染物、1#和41#3个样品化学成分为具有单个或多个不饱和烯烃、长碳链羧酸或羧酸酯类物质，并且含有高级脂肪酸的植物油类物质，这与文献[13]报道的一致。

为验证试验结果，考虑到食用花生油就是含有高级脂肪酸的植物油类[14]，引入42#食用花生油样品与黄斑烟支污染物、1#和41#样品进行进一步进行红外光谱分层比较分析。从图4可看出烟支黄斑污染物与1#、41#和42#样品的红外光谱具有高度一致性，相关特征峰与烟支黄斑污染物红外特征吸收峰分析一致。为了对污染物进行定性剖析，利用混合物分离软件OMNIC Specta 结合标准红外谱库[15]对烟支黄斑污染物红外光谱进行分离检索。从图5可知，烟支黄斑污染物与42#、41#和1#样品的匹配度分别为93.31%、92.28%和74.33%，极为相似，表明分析结果准确可靠。

图3烟支黄斑污染物与1#、41#样品红外光谱重叠图

图4烟支黄斑污染物与1#、41#和42#样品红外光谱分层比较图

Fig.4 Stratified comparison of infrared spectra of the pollutant source of macular in cigarettes with 1#, 41# and 42# samples

图5 烟支黄斑污染物与1#、41#和42#红外光谱分离检索图

Fig.5 Infrared spectrum separation retrieval map of the pollutant source of macular in cigarettes with 1#, 41# and 42# samples

2.4 黄斑烟支污染物与筛选出的疑似污染物化学成分定性分析

从表2可知， 1) 烟支黄斑污染物、1#和41#3个样品中都含有棕榈酸、油酸、亚油酸、亚麻酸和硬脂酸，且具有高于98%以上的匹配度，说明各样品中化学成分定性结构分析结果准确、可靠；2) 烟支黄斑污染物、1#和41#3个样品中主要化学成分的油酸和亚油酸的混合物的相对含量分别为57.14%、78.34%和48.08%。这与红外光谱分析中样品中化学成分为疑似含有长链、不饱和脂肪酸或酯的植物油结论相吻合；3) 1#样品中虽然含有棕榈酸、亚麻酸和硬脂酸等与烟支上的黄斑污染物相同的化学成分，但还含有其它更多成分，因此可排除污染物来源于1#样品；4) 烟支黄斑污染物中除含有少量蒎烷外，其他成分与41#样品完全一致，匹配度高于90%，说明该黄斑污染物来源于卷包工序的41#香油。

表2 烟支黄斑污染物、41#和1#样品的GC/MS检测结果

3 结论

通过采用傅立叶变换红外光谱(FT-IR)结合气相色谱质谱联用(GC/MS)对黄斑烟支上污染物以及卷烟制造过程中各环节疑似污染物进行分析，结果表明：1) 烟支上的黄斑污染物与卷包工序的41#香油、打叶复烤工序的1#叶烤机润滑油具有相同的红外吸收特征峰，初步确定污染源来源于这两个样品；2) 黄斑烟支上污染物与41#和1#样品匹配度达92.28%和74.33%；3) 1#样品与黄斑烟支上污染物主体化学成分上存在明显差异，排除其为污染来源的可能，而41#样品与黄斑烟支上污染物主体成分高度一致，匹配度高于90%，因此，确定41#样品香油(卷包)为该黄斑烟支产生的污染来源。

黄斑烟支上污染物的化学成分复杂，红外光谱法能快速的鉴别出疑似污染物样品，气相色谱-质谱能以特征成分为指标精确地确定黄斑烟支产生的污染来源，为烟支黄斑污染物溯源排查提供一套科学的鉴别检验方法。