加热振荡提取-气相色谱-质谱法测定滤棒中两种特征香味成分的含量

郑 健 ,杨 涓* ,邱 雨 ,安泓汋 ,李 薇 ,闻 静 ,李迅燕,王 晶

(1.四川中烟工业有限责任公司 技术中心,成都 610066;2.四川三联新材料有限公司 技术中心,成都 610000)

为改善烟草制品的品质,通常需要对卷烟进行加香或补香,以达到增香保润的目的。卷烟的加香方式主要有滤嘴加香、烟丝加香、包装材料加香、卷烟纸加香、成形纸加香、黏接剂加香[1-6]等。滤嘴加香中使用的滤棒可避免燃吸过程中香精的热解,增加转移效率,且加香载体种类多样,因而得到广泛应用[7]。滤嘴加香方式主要有溶剂法、香线法、胶囊法、吸附剂法[8]等。溶剂法和香线法中添加的香精在生产和存放过程中易散失;吸附剂法和胶囊法虽然能够延缓香精的挥发,但吸附剂的选择有很大局限性,开发成本高,制备工艺复杂[7]。

近年来,一种由热敏相变材料制成的缓释凝胶作为加香载体应用于滤嘴加香[9]。常温下该缓释凝胶为固态,燃吸过程中,当滤嘴温度升至45～60 ℃时,缓释凝胶会发生相变,变为液态,释放出香气成分。凝胶释香滤棒能够改善传统溶剂喷洒存放过程中香气成分的损失,从而在卷烟抽吸过程中有效地释放致香物质[10]。缓释凝胶由聚乙二醇、硬脂酸等食品添加剂类成分组成,安全可靠[9]。

薄荷烟是外香型烟的代表产品,全球薄荷型卷烟销量占总销量的28%左右;薄荷香型滤棒通常使用薄荷油、甜橙油为香精,其主体成分分别是薄荷醇和柠檬烯[11-12]。目前,烟草行业测定滤棒中薄荷醇的方法有气相色谱法和气相色谱-质谱法(GC-MS),但测定对象大多为基础滤棒或简单复合滤棒[11,13-14]。本工作通过优化前处理条件,建立了GC-MS测定滤棒中薄荷醇、柠檬烯含量的方法。利用该方法,考察了凝胶释香滤棒在生产过程批次内和批次间的加香均匀性;并且以薄荷醇为标记物,对凝胶释香滤棒和香线滤棒的持香效果进行评估,以期为缓释凝胶相变材料在卷烟中的应用提供参考。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

Clarus600/Clarus600T 型气相色谱-质谱联用仪;SHA-CA 型恒温振荡器;8510E-DTH 型超声波清洗机;ME204型电子天平(感量0.000 1 g);Multipette E3型分液器。

内标溶液:称取苯甲酸正丙酯标准品2.5 g,用乙醇定容至50 mL 容量瓶中,配制成质量浓度为50 g·L－1的内标溶液。

混合标准储备溶液:分别称取薄荷醇、柠檬烯标准品0.50 g于250 mL 容量瓶中,用乙醇稀释至刻度,配制成薄荷醇、柠檬烯质量浓度均为2.00 g·L－1的混合标准储备溶液。

薄荷醇、柠檬烯、苯甲酸正丙酯标准品的纯度均不小于99%;无水乙醇的纯度为99.8%;试验用水为一级水。

1.2 仪器工作条件

1)色谱条件 HP-Innowax 毛细管色谱柱(30 m×0.25 mm,0.25μm);载气为氦气;进样口温度250 ℃;流量1 mL·min－1;进样量为1.0μL;分流比为50∶1。柱升温程序:初始温度100 ℃,保持2 min;以5 ℃·min－1速率升温至180 ℃;再以20 ℃·min－1速率升温至240 ℃,保持5 min。

2)质谱条件 电子轰击离子(EI)源;离子源温度230℃,传输线温度250℃;电子能量70 e V;选择离子监测(SIM)模式。其他质谱参数见表1。

表1 质谱参数Tab.1 MS parameters

1.3 试验方法

将滤棒样品密封,于－4 ℃保存。试验前,先将滤棒在密封状态下平衡至室温。将1.0～1.5 g滤棒剪成5～10 mm 的样品小段,置于100 mL 锥形瓶中,加入20 mL无水乙醇(提取剂)[13]和0.1 mL 内标溶液,于30℃加热振荡10 min后,经0.45μm 有机滤膜过滤,滤液供GC-MS分析。

2 结果与讨论

2.1 色谱行为

按照试验方法,对0.10 g·L－1混合标准溶液(内标0.10 g·L－1)和滤棒样品进行测定,所得总离子流色谱图见图1。

图1 混合标准溶液和滤棒样品的色谱图Fig.1 Chromatograms of mixed standard solution and filter rod sample

2.2 前处理条件的选择

2.2.1 提取方式

设置提取时间为10 min,提取剂体积为40 mL,以空白加标滤棒样品(加标量2.00 g·L－1)为研究对象,考察了振荡、超声、加热振荡3种提取方式对滤棒样品中柠檬烯和薄荷醇回收率的影响,结果见图2。

图2 提取方式对柠檬烯、薄荷醇回收率的影响Fig.2 Effect of extraction method on recovery of limonene and menthol

结果表明,采用加热振荡法提取时,样品中薄荷醇和柠檬烯的回收率分别为96.3%和98.7%,提取效果较好,因此试验选择提取方式为加热振荡。

2.2.2 提取时间

采用加热振荡的方式,考察了不同提取时间(5,10,15,20,25 min)对上述滤棒样品中柠檬烯和薄荷醇回收率的影响,结果见图3。

图3 提取时间对柠檬烯、薄荷醇回收率的影响Fig.3 Effect of extraction time on recovery of limonene and menthol

由图3可知:当提取时间为10 min时,柠檬烯和薄荷醇的回收率分别为97.1%和98.4%,提取效果较好;随着提取时间的延长,回收率变化幅度较小。综合考虑提取效率等因素,试验选择提取时间为10 min。

2.2.3 提取温度

采用加热振荡的方式,设置提取时间为10 min,考察了不同提取温度(25,30,40,50,60 ℃)对上述滤棒样品中柠檬烯和薄荷醇回收率的影响,结果见图4。

图4 提取温度对柠檬烯、薄荷醇回收率的影响Fig.4 Effect of extraction temperature on recovery of limonene and menthol

由图4可知:随着提取温度的升高,样品中柠檬烯和薄荷醇的回收率呈先增大后减少的趋势;当提取温度为30 ℃时,柠檬烯、薄荷醇的回收率为103%和98.5%。因此,试验选择提取温度为30℃。

2.2.4 提取剂体积

在上述优化条件下,考察了不同提取剂体积(15,20,25,30 mL)对上述滤棒样品中柠檬烯和薄荷醇回收率的影响,结果见图5。

图5 提取剂体积对柠檬烯、薄荷醇回收率的影响Fig.5 Effect of extractant volume on recovery of limonene and menthol

由图5可知:当提取剂体积为20 mL 时,样品中柠檬烯和薄荷醇回收率分别为98.8%和103%;继续增大提取剂的体积,薄荷醇的回收率稍有降低,而柠檬烯的回收率变化不明显。因此,试验选择提取剂体积为20 mL。

2.3 标准曲线、检出限和测定下限

移取适量的混合标准储备溶液和0.05 mL 内标溶液,分别置于一组25 mL 容量瓶中,用乙醇稀释至刻度,配制成薄荷醇、柠檬烯质量浓度均为0.01,0.02,0.10,0.40,2.00 g·L－1,内标质量浓度为0.10 g·L－1的混合标准溶液系列。按照仪器工作条件对上述混合标准溶液系列进行测定,内标法定量。以各目标物与内标质量浓度的比值为横坐标,其对应的目标物与内标峰面积比值为纵坐标绘制标准曲线。结果显示,柠檬烯、薄荷醇标椎曲线的线性范围均为0.01～2.00 g·L－1,线性参数见表2。

对0.01 g·L－1混合标准溶液连续测定10次,计算测定值的标准偏差(s),以3倍标准偏差计算检出限(3s),10倍标准偏差计算测定下限(10s),结果见表2。

表2 线性参数、检出限和测定下限Tab.2 Linearity parameters,detection limits and lower limits of determination

2.4 精密度试验

按照试验方法,对同一滤棒样品连续测定5次,计算测定值的相对标准偏差(RSD)。结果显示,柠檬烯测定值的RSD 为2.7%,薄荷醇测定值的RSD为1.2%,表明该方法精密度良好。

2.5 回收试验

按照试验方法,对滤棒样品中的柠檬烯和薄荷醇分别进行低、中、高等3个浓度水平的加标回收试验,计算回收率,结果见表3。

表3 回收试验结果Tab.3 Results of test for recovery

2.6 方法比对

采用本法和行业标准方法YC/T 416－2011《醋酸纤维滤棒中薄荷醇的测定 气相色谱法》对香线滤棒、凝胶释香滤棒、爆珠滤棒中的薄荷醇进行测定,结果见表4。

表4 样品分析结果的方法比对Tab.4 Comparision of analytical results of samples by different methods

本法与行业标准方法相比,两者对香线滤棒中薄荷醇的测定结果基本一致,而本法对凝胶释香滤棒和爆珠滤棒中薄荷醇的测定值更高。随着滤棒生产工艺进步,滤棒加香方式丰富化,载香材料多种多样,滤棒中加入吸附剂、缓释凝胶、添加剂及助剂等物质,导致样品提取液的基质较普通滤棒复杂,行业标准采用气相色谱法根据保留时间定性,提取液中助剂、色素等出峰会造成干扰,而本方法除了保留时间定性外,通过目标物离子碎片丰度比辅助定性,且前处理时间更短、溶剂用量更少,表明本方法更适用于对凝胶释香滤棒和爆珠滤棒的测定。

2.7 样品分析

采用本法对不同类型滤棒中的柠檬烯和薄荷醇进行测定,结果见表5。

表5 样品分析结果Tab.5 Analytical results of samples mg·g-1

结果表明,不同滤棒中柠檬烯的质量分数为0.14～2.40 mg·g－1,薄荷醇的质量分数为0.26～24.40 mg·g－1,两种成分含量的差异较大。

2.8 凝胶释香滤棒的加香均匀性分析

以凝胶释香滤棒为研究对象,选取6批次的凝胶释香滤棒生产线,在同一批次凝胶释香滤棒的生产过程中,于装盘机固定位置每隔5 min取1个样品,连续取50个,按照试验方法测定样品中薄荷醇、柠檬烯的含量,计算每批次50 个滤棒样品中薄荷醇、柠檬烯测定值的RSD,以考察批次内样品加香的均匀性,结果见表6。

采用相同的取样方法,每批次连续取10 个样品,按照试验方法进行测定。计算每批次10个样品中各成分含量的平均值,以该平均值记为各批次样品中各成分的测定值,计算6批次样品中薄荷醇和柠檬烯的RSD,以考察批次间样品加香的均匀性,结果见表6。

表6 凝胶释香滤棒的加香均匀性分析结果Tab.6 Analytical results of the uniformity of flavouring on filter rods containing aroma gel %

结果显示:柠檬烯的批次内RSD 为4.0%～12%,批次间RSD 为11%;薄荷醇的批次内RSD 为1.4%～2.2%,批次间RSD 为1.9%。这可能是由于柠檬烯挥发性强,受取样时间的影响较大,而薄荷醇的化学稳定性较好,因此薄荷醇可作为薄荷香型凝胶释香滤棒加香均匀性的评价指标。从薄荷醇的测定结果来看,凝胶释香滤棒批次内和批次间的加香均匀性良好,加香精密度较高,满足滤棒加香的质量要求。

2.9 不同加香载体的持香能力分析

使用同种香料,以缓释凝胶和香线为加香载体分别制作凝胶释香滤棒和香线滤棒(滤棒参数:19.3 mm×120 mm,压降3 380 Pa,成形纸透气度6 000 CU),加香量均为0.2 g/10 支。将制备好的两种滤棒用铝箔袋迅速密封,并送至实验室,取出放置于干净纸张上,按照试验方法在放置0,1,2,3,6,8 d时测定凝胶释香滤棒和香线滤棒中薄荷醇的含量,每种滤棒分别测定5个样品,结果见图6。

图6 不同加香载体的持香能力Fig.6 Aroma holding capacity of different spiced carriers

结果显示:两种滤棒中薄荷醇含量均随着放置时间的延长逐渐减少;到第8 d,凝胶释香滤棒和香线滤棒中薄荷醇分别减少了79.6%和85.9%,说明凝胶释香滤棒中薄荷醇的挥发速率相对较慢,持香能力相对较好。

本工作建立了GC-MS测定不同类型滤棒中薄荷醇、柠檬烯两种特征香味成分含量的方法,该方法操作简便、准确度高、重复性好。以凝胶释香滤棒为研究对象,其生产批次内和批次间的加香均匀性良好并且持香能力更佳,为凝胶释香滤棒的应用提供了一定的技术参考。