烟叶中非挥发性有机酸含量与卷烟烟气中CO含量的关系

刘克强 岳先领 朱旭东 徐飞

摘   要： 以河南、云南、贵州、福建、黑龙江5个产区的烤烟烟叶为研究对象，以湖北产区的白肋烟叶为参照，考察烟叶中非挥发性有机酸含量与其燃烧后产生的卷烟烟气中一氧化碳（CO）含量的关系。研究发现：1）5个产区烟叶中总非挥发性有机酸含量存在差异，且白肋烟叶中非挥发性有机酸含量明显高于烤烟烟叶;2）烟叶中总非挥发性有机酸含量与CO含量之间呈极显著相关。结果表明，烟叶中非挥发性有机酸含量可以作为衡量卷烟烟气中CO含量的关键指标之一。在卷烟叶组配方设计中，可以通过卷烟原料的可选择性有效降低卷烟烟气中CO含量。

关键词： 非挥发性有机酸;一氧化碳;卷烟烟气;白肋烟叶;卷烟叶组配方

引言

一氧化碳（CO）是卷烟烟丝的热解产物，体积约占卷烟主流烟气的3%[1-2]。为了降低卷烟烟气中的CO含量，一直以来，烟草配方研究者从CO的产生机理入手[3-7]，研究、开拓了卷烟辅助材料、新型烟草制品以及相关添加剂领域，如：通过提高卷烟纸的透气度来提高烟支的透氧量，促进烟丝的完全燃烧[8];开发复合型烟支滤棒，通过吸附、沉淀作用减少烟气中的有害成分;在烟丝中添加助剂，提高卷烟的燃烧性能[9];通过在卷烟滤棒中加入纳米材料，改善催化活性，进而优化卷烟的燃吸进程。这些措施的采用，确实对降低包括CO在内的烟气有害成分起到了很好的成效，但也存在着明显的不足，比如原料价格昂贵、工艺复杂，限制了推广应用的可能性。此外，这些措施也未从根源入手，对烟叶中的有机酸含量与卷烟烟气中的CO含量之间的关系进行理论研究。

本文以黑龙江烟草工业有限责任公司（以下简称“本公司”）在河南、云南、贵州、福建、黑龙江共5个产区生产的烟叶为研究对象，以湖北产区白肋烟叶为参照，对草酸等13种非挥发性有机酸（脂肪酸）含量与卷烟烟气中的CO含量之间的关系进行初步研究，以期为卷烟叶组配方设计等提供理论依据。

1  材料与方法

1.1  实验试剂和仪器

烟叶样品选取本公司在河南、云南、贵州、福建、黑龙江、湖北等产区的烟叶100种，其中包括河南、云南、贵州、福建、黑龙江5个产区的96种烤烟烟叶和湖北产区的4种白肋烟叶。实验所需主要试剂如表1所示，实验仪器如表2所示。

1.2  实验方法

1.2.1  烟叶样品预处理

各烟叶样品经自然风干，利用粉碎机粉碎后，过60目筛，储于棕色广口瓶中，并置于4℃的冰箱中备用。

1.2.2  实验过程

（1）10%（V/V）H2SO4-CH3OH酯化剂的配制

在冰冷和搅拌的条件下，将350 mL浓硫酸缓慢加入3 150 mL甲醇溶液中，摇匀，然后移入到5 000 mL试剂瓶中保存备用（后文称作“硫酸—甲醇溶液”）[1-2]。

（2）内标溶液（己二酸）的配制

在100 mL烧杯中精确称量1.492 6 g己二酸，加入约100 mL甲醇溶液完全溶解后，转移到250 mL的容量瓶中。加甲醇稀释至刻度（浓度：5.970 4 mg/mL;溶液储存条件：0℃冰箱内保存1个月）。

（3）有机酸标样的配制

按表3中各非挥发性有机酸质量称取至50 mL的容量瓶中，加入甲醇溶液溶解，并定容至刻度。

（4）煙叶样品的前处理

用电子天平准确称取约1.00 g样品，准确至0.1 mg，置于100 mL平底烧瓶内。再准确加入40 mL 10%硫酸—甲醇溶液，加入1 mL己二酸内标溶液，烧瓶上接冷凝管，80℃水浴回流2 h至室温。取回流液体10 mL于100 mL分液漏斗中，加入20 mL饱和食盐水混匀，每次用10 mL二氯甲烷萃取，萃取3次合并萃取液，加入3.5 g无水硫酸钠干燥过夜。取适量萃取液于色谱小瓶中，再将色谱瓶放置于Agilent GC6890-MS5973N气相色谱仪的自动进样器中，进行气相色谱分析。

（5）定性定量分析

用毛细管GC法对烟叶样品的有机酸衍生物进行分析，再与标样物相对保留值作比较，根据加入标样后色谱峰的增高，鉴定各有机酸性成分。然后，采用内标法和工作曲线对有机酸性成分进行定量分析。

（6）气相色谱条件

载气：氦气;进样量：1.0 μL;进样口温度：270℃;分流比：5：1;程序升温：50℃保持2 min，然后以4℃/min升到220℃，再保持4 min，升到240℃，再保持5 min;连接口温度：250℃[3-4]。

（7）有机酸的工作曲线

分别取多元酸标准储备溶液0.2 mL、0.5 mL、1.0 mL、2.0 mL、3.0 mL、4.0 mL、5.0 mL、6.0 mL于100 mL平底烧瓶中，各加入1.0 mL己二酸内标溶液和40 mL 10%硫酸—甲醇溶液，水浴80℃回流2 h。取回流液体10 mL于100mL分液漏斗中，加入20 mL饱和食盐水混匀，每次用10 mL二氯甲烷萃取，萃取3次合并萃取液，加入3.5 h无水硫酸钠干燥过夜。取适量萃取液于色谱小瓶中，再将色谱瓶放置于Agilent GC6890-MS5973N气相色谱仪的自动进样器中进行气相色谱分析[2，6]。以各多元酸相应面积与内标相应面积之比为横坐标，以各多元酸质量与内标质量之比为纵坐标，绘制标准曲线，得到线性方程，如表4所示。

（8）实验方法的重复性

分别取5次烟样，所取烟叶质量分别为1.001 5 g、1.001 6g、0.998 1 g、1.002 6 g、1.002 5 g。按照上述实验条件，测定单料烟的非挥发性有机酸的平均值、标准偏差与变异系数，每个样品平行测定5次，将检测出来含量非常少的非挥发性有机酸去掉，结果如表5所示。从表5可以看出，各有机酸测定值的变异系数在0.72%～4.56%之间，平均变异系数为2.67%，其变异系数小于5%，可满足非挥发性有机酸的定量分析要求[2，7]。

（9）非挥发性有机酸的回收率的测定

将一定量非挥发性有机酸标样混合液加入1.000 g 烟叶粉末中，按上述方法甲酯化，计算非挥发性有机酸的回收率，结果如表6所示。由表6可知，非挥发性有机酸的回收率均大于95%，说明本方法的测定结果可以满足烟叶中非挥发性有机酸的定量分析。

1.3  实验样品的制备

切丝工艺与参数设定：对样品依次进行切丝，切丝宽度设定1.1 mm;去除料头和料尾不合格的烟丝;用实验用烘丝机（SY-Ⅲ-A型）进行烘丝，烟丝含水率控制在12.7±0.5%，便于卷制。

选择ZJ17卷烟机组进行卷制，车速6 000支/min;烟支支重目标设定值0.850 g/支，允差为±0.070 g/支，各项检测装置关闭;各品种分别选取质量在标准范围内的烟支120支放置密封盒中待用。由于样品较多，制样分时间段进行。

2  结果与讨论

2.1  非挥发性有机酸含量测试

2.1.1  烤烟和白肋烟中非挥发性有机酸含量

选取云南、河南、福建、贵州、黑龙江五个产区的烤烟烟叶和湖北产区白肋烟叶进行对比分析，求取各种非挥发性有机酸含量和总非挥发性有机酸含量，分析结果如图1和图2所示。

由图1可见，烤烟和白肋烟中苹果酸、柠檬酸和草酸含量都比较高[5-9]。其中，苹果酸在烤烟和白肋烟中含量相差不大，柠檬酸和草酸在白肋烟中含量比烤烟高很多，柠檬酸含量高是白肋烟的显著特点。由图2可知，在总非挥发性有机酸含量方面，白肋烟高于烤烟。

2.1.2  不同产区烤烟中非挥发性有机酸含量

选取云南、河南、福建、贵州、黑龙江五个产区的烤烟烟叶，计算各产区每种非挥发性有机酸的含量和各产区总非挥发性有机酸含量，分别如图3和图4所示。

由图3和图4可以看出，烤烟中苹果酸含量最高，且苹果酸含量高低顺序为：河南>黑龙江>贵州>福建>云南;柠檬酸含量高低顺序为：福建>河南>黑龙江>云南>贵州;草酸含量高低顺序为：贵州>云南>福建>黑龙江>河南。总非挥发性有机酸含量顺序为：河南>福建>黑龙江>贵州>云南。

对各个产区的多元酸（草酸、丙二酸、丁二酸、苹果酸、柠檬酸）、饱和脂肪酸（棕榈酸、硬脂酸）和不饱和脂肪酸（油酸、亚油酸、亚麻酸）含量分别进行汇总，如表7所示。

由表7得知，各产区多元酸含量为河南>福建>黑龙江>贵州>云南;各产区饱和脂肪酸含量为贵州>黑龙江>福建>河南>云南;各产区不饱和脂肪酸含量为贵州>福建>黑龙江>云南>河南。

2.2  回归分析

各产区烟叶样品非挥发性有机酸含量及CO含量如表8所示。对表8中的数据进行回归分析，其中CO含量为因变量，各非挥发性有机酸含量（按照从左到右的順序）为自变量，得到如表9所示的相关关系，并得到回归方程

这说明烟气中CO含量与非挥发性有机酸中的草酸（X1）、丙二酸（X2）、苹果酸（X4）、柠檬酸（X6）、硬脂酸（X7）、油酸（X8）、亚油酸（X9）、亚麻酸（X10）含量呈正相关;与丁二酸（X3）、棕榈酸（X5）呈负相关;与总非挥发性有机酸含量（X11）等呈极显著相关。

3  结束语

本文对不同产区烟叶的非挥发性有机酸含量进行了研究，得知烟叶中非挥发性有机酸含量相对较高，且与卷烟烟气中CO含量之间的存在较显著的相关关系。因此，可以把非挥发性有机酸含量作为衡量CO含量的关键指标之一。在叶组配方设计中，可以从卷烟原料的可选择性出发，有效降低卷烟烟气中的CO含量。

参考文献

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