烟草及烟草制品中总氮测定方法研究进展

朱春晖 索卫国 黄卫东 廖堃 张翼

(江西中烟工业有限责任公司技术中心，江西 南昌 330096)

前言

烟草及烟草制品中总氮含量是对卷烟劲头和吃味有重要影响的指标，烟草中含氮化合物包括蛋白质、游离氨基酸、生物碱、硝酸盐和其他含氮杂环化合物等，含氮化合物在燃吸过程中，形成的烟气显碱性，给人以辣、刺、苦的感觉。为了使烟气吃味醇和，无辣、刺、苦的感觉，应保证烟气酸碱适度，必须使烟丝中的糖氮比合适。因此，总氮含量的测定对鉴别烟质好坏具有一定意义，是烟草化学分析的常规检测项目。本文从烟草及烟草制品中总氮测定方法种类和发展前景等方面对烟草及烟草制品中总氮测定方法研究进行了综述。烟草中总氮的测定就是将烟草中各种含氮化合物中的总氮含量检测出来，总氮的测定常用的方法主要有2类：间接分析法，其代表方法为近红外光谱法；经典化学分析法，又分为消化后测铵和燃烧后测氮，其代表方法为凯氏法和杜马斯燃烧法。

1 近红外光谱分析法

与常见的化学分析法不同，近红外光谱分析是一种间接分析技术，是用统计的方法在样品待测属性值与近红外光谱数据之间建立一个关联模型(或称校正模型)。因此在对未知样品进行分析之前需要收集大量用于建立关联模型的校正样品，以获得用近红外光谱分析光谱数据与经典化学分析法所获数据的相关关系。傅立叶变换型近红外光谱分析仪的特点有分辨能力高、扫描速度极快和辐射光通量大[1]等。1995年近红外光谱分析技术开始应用于中国烟草行业总氮含量测定[2]。

在烟草及烟草制品中多种常规化学成分含量测定中应用较多，2009年，王维妙等[3]以100个有代表性的再造烟叶样品作为模型校正集，15个样品为验证集，通过偏最小二乘法建立了烟碱、总糖、还原糖、总氮和钾5种成分的透射模型，并对模型的预测效果和重复性进行评价，结果证明，近红外透射法适用于批量再造烟叶样品中烟碱、总糖、还原糖、总氮和钾含量的快速分析。李永福[4]采用经典化学分析法对烟草中总糖、还原糖、氯、钾、烟碱和总氮6种常规化学成分进行测定，然后对6种常规化学成分进行近红外光谱分析，通过化学分析法和近红外光谱分析法的分析比较，验证近红外定量分析模型的预测能力，结果显示，6种常规化学成分预测结果的平均相对偏差均在3%左右，达到经典化学分析方法要求的平行实验的精密度。2012年，陈萍等[5]应用近红外光谱法预测云南香料烟的总糖、还原糖和总氮，以250份样品作为建模样品，41份作为验证样品，结果显示，近红外光谱法与连续流动法之间差异不显著。2015年，张朝等[6]采用近红外光谱分析技术，选取单品种样品681个，结合偏最小二乘法，定量分析了烟草中氯、烟碱、总糖、还原糖及总氮含量，并用实际样品对模型进行了验证，结果显示，所建模型精密度良好，近红外光谱法与行业标准方法(连续流动法)所测值不存在显著差异。

近红外检测技术具有快速高效、不消耗化学药品、可同时测试多项指标等优点，但近红外光谱分析技术准确性受多种因素的影响，其中，样品的粒度及均匀度影响最大，粒度变异直接影响近红外光谱的变异。此外，模型初建时标样选择、数量及其设计也影响到预测的准确度。标样的选择要充分考虑样品成分的含量和梯度、标样的物理和化学特性，以提高多定标效果和应用范围。标样数量太少，不足以反映被测群体的常态分布规律，数量太多，则增加工作量。标样设计也影响定标的准确性。对于成分含量间相关性强的被测成分可根据同套样品进行定标，对相关性差的成分，则需根据特定的筛选原则，分别以另外的样品进行定标，以提高定标效果及检验准确性。另外，不同温度、不同含水率的烟样、样品测定的密度都会影响近红外光谱分析预测的准确性。所以，烟草及烟草制品中总氮含量单一指标的测定，一般使用常规化学分析法，采用近红外光谱进行在线的烟叶水分及快速、简单测定多种主要化学成分是近红外光谱技术在烟草行业今后的发展趋势。同时，采用近红外光谱技术辅助进行烟叶分类、分级、烟叶打叶复烤和卷烟生产过程中质量控制很有意义。

2 凯氏定氮法

凯氏法测定总氮含量稳定可靠，但步骤较为繁琐，测定效率较低。针对这种情况，在连续流动的理论出现以后，烟草行业进行了很多连续流动法研究工作[7-9]。连续流动法具有简便、易操作等优点，但显色反应易受环境因素影响，有报道称该方法与经典凯氏定氮法有一定偏差[9]，也有报道采用优化后的消化方法对烟草样品进行消化，离子色谱法将总氮以NH4+态直接测定[11]。

1995年烟草行业就开始进行用连续流动法测定烟草中总氮含量的方法标准的制定工作，“烟草及烟草制品总氮的测定连续流动法”[11]已于2002年发布实施。连续流动法的消化步骤采用经典的凯氏法。2001年，崔娅等[9]优化了测定烟草总氮的条件，优化后的消化条件为：称取0.1～0.2g烟粉，用0.40g硫酸铜、6.00g硫酸钾和7.00mL浓硫酸先于180℃下消化1h，再于380℃下消化1～1.5h。2004年，彭丽娟等[12]采用正交实验进行了烟草中总氮测定消化条件的筛选，优化后的消化条件为：称样量0.3g、氧化汞用量0.1g、硫酸钾用量1g、硫酸用量5mL。2011年，张志明等[13]采用正交设计研究烟草中总氮测定的消化条件，结果表明：消化条件对烟样消化效应的极差是，称样量>硫酸>硫酸钾>硫酸铜；称样量、硫酸和硫酸钾用量对烟样消化效果表现显著，硫酸铜用量不显著；选用400℃，180min，称样量0.3g、硫酸钾3.0g、硫酸5mL、硫酸铜0.1g为最佳消化条件。采用经典的凯氏法消化时间长，且对样品进行消化时需加入强酸和催化剂，存在安全隐患，所以，烟草行业对烟草总氮测定的前处理方法一直在进行优化研究。2014年，俞飞[14]等使用过氧化氢替代剧毒的催化剂(氧化汞)进行烟草及烟草制品中总氮测定，采用L16(54)正交设计研究消化条件，结果表明：过氧化氢可以替代氧化汞，能加速样品消化完全并缩短消化时间，该方法测定结果准确。

采用连续流动法或离子色谱法测定烟草及烟草制品中总氮含量，均具有快速简便、重现性好等特点，适合大批量烟草样品中总氮含量测定。但因连续流动法和离子色谱法的样品前处理均采用凯氏法消化，无论是采用剧毒的氧化汞萃取剂，还是采用过氧化氢替代氧化汞作为催化剂，消化过程均需加入浓硫酸，保持高温1h以上，前处理方法仍存在安全隐患且效率不够高。并且，经典凯氏消化法无法将烟草样品中的硝酸盐和亚硝酸盐转化为铵盐，易造成总氮含量测定结果较实际含量偏低。因此，测定烟草样品，尤其是硝酸盐和亚硝酸盐含量较高的白肋烟样品中总氮含量时，需测定样品中硝酸盐和亚硝酸盐含量以提高测定准确性。针对凯氏定氮法消化试剂用量大且危险性较大、检测效率较低等缺点，优化凯氏法消化条件，采用无毒的催化剂，降低消化过程试剂用量及反应剧烈程度，与连续流动仪、离子色谱等技术联用，提高方法效率，将是凯氏定氮法在烟草行业今后的发展趋势。

3 杜马斯燃烧法

杜马斯燃烧法在非烟草植物样品、食品、饲料、肥料中总氮测定方面有很多研究及应用[15-21]。目前，采用杜马斯燃烧法测定烟草及烟草制品中总氮含量的研究在行业内研究较少，仅云南烟草科研院开展了相关研究，尚未发现有其它单位文献报道。王岚[22]等采用杜马斯定氮法测定了烟草及烟草制品中总氮含量，对杜马斯燃烧法和连续流动法进行了比较，结果表明，2种方法测定总氮含量的结果基本一致，该研究对氧气流量和样品称样量进行了选择优化，但研究内容仍需完善，缺少不同类型样品适用性、加标回收率等研究。

杜马斯燃烧定氮法具有分析速度快、自动化程度高、环境污染少、结果准确等优点，在食品、饲料、肥料等行业已形成行业标准或国家标准，随着烟草行业对总氮含量检测方法效率和实验室安全的要求越来越高，研究杜马斯燃烧定氮法对烟草及烟草制品的适用性，实现烟草及烟草制品中总氮含量的快速、准确分析，推进和建立杜马斯燃烧定氮法在行业的标准化工作将是杜马斯燃烧法在烟草行业今后的发展趋势。

4 结束语

综上所述，烟草行业对总氮含量测定进行了大量的研究和探索，而且随着相关研究的不断深入和创新，总氮含量测定方法操作必将更简便，效率更高，更环保。总氮含量测定方法各有优缺点及其适用范围，近红外光谱检测技术适用于多种常规成分含量预测，发展趋势为不同模型适用性及其在不同设备间的转移，推进近红外光谱技术的在线使用，实现对原料和产品的实时监测；凯氏法和杜马斯燃烧法均适用于实验室大批量样品总氮含量准确测定，凯氏法发展趋势为前处理试剂用量更少、安全性更高，与其它仪器联用，提高检测效率和自动化水平；杜马斯燃烧法在烟草行业发展趋势为研究方法对不同类型烟草样品的适用性，推进方法的标准化，使方法在实际检测中得到推广和使用。