滤片捕集-气相色谱法测定加热卷烟气溶胶中水分的含量

2022-05-11邱建华何静宇李倩袁岐山何文婕刘文召张孟伟

理化检验-化学分册 2022年4期

邱建华，何静宇，李倩，袁岐山，何文婕，刘文召，张孟伟*

(1.河南中烟工业有限责任公司技术中心，郑州 450016；2.河南中烟工业有限责任公司洛阳卷烟厂，洛阳 471000)

加热卷烟是指利用加热器于250～350 ℃加热烟草薄片，从而释放出尼古丁和烟香物质的一种新型烟草。与传统卷烟相比，加热卷烟能够为消费者提供与其相近的吸食口感，并且释放较少的有害成分[1-3]，因此受到人们的广泛关注[4-5]。

水分的准确测定对加热卷烟中总粒相物、焦油的定量至关重要，但国内加热卷烟的研究起步较晚，针对加热卷烟气溶胶中水分的研究较少[6-7]。文献[8]采用气相色谱双柱双检测器法同时测定了新型卷烟气溶胶中水、烟碱、1，2-丙二醇和丙三醇的含量。文献[9]通过优化捕集方法和吸烟机抽吸条件，对传统卷烟烟气水分进行了研究。文献[10]利用热导检测器(TCD)，建立了气相色谱法(GC)同时检测加热卷烟气溶胶中水分、1，2-丙二醇、烟碱和丙三醇的方法，该方法参考了传统卷烟的测定方法，但是没有针对加热卷烟的特点进行方法的有效性研究。与传统卷烟相比较，加热卷烟气溶胶中水分测定具有以下几个特点：水分含量高，是常规卷烟的10倍以上[11]；影响因素多，如加热卷烟薄片材料中的甘油具有强烈的吸水性，在测定过程中，会将环境中的水分引入样品中，导致测定结果的偏差。

针对以上几个特点，本工作以市售的加热卷烟为研究对象，基于水分转移规律，对加热卷烟抽吸前后水分含量进行了系统研究[12]，建立了GC 测定加热卷烟气溶胶中水分含量的方法，以期为准确测定加热卷烟气溶胶中的水分提供可靠的依据，为该类产品的研发、生产过程控制、产品质量的控制和提升提供理论支撑。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

7890A 型气相色谱仪，配TCD；SM450型直线吸烟机；Milli-Q 型超纯水仪；XS 225A-SCS型电子天平；HY-8A 型振荡器。

萃取剂：移取异丙醇1 000.00 mL 和无水乙醇5.00 mL，混合均匀，备用。

水标准溶液系列：称取0，10，100，200，300，500，800 mg(精确至0.1 mg)水于100 mL 容量瓶中，用萃取剂稀释至刻度，摇匀，配制成质量浓度为0，0.1，1.0，2.0，3.0，5.0，8.0g·L－1的水标准溶液系列。

异丙醇、无水乙醇为色谱纯；试验用水为超纯水。

1.2 仪器工作条件

1.2.1 吸烟机

打开吸烟机，预热30 min，设定抽吸容量35 mL，抽吸时间2 s，抽吸间隔30 s，抽吸口数7口·支－1。

1.2.2 GC条件

HP-PLOTQ毛细管柱(30m×0.53mm，40μm)；柱温170℃；载气为氦气；载气流量3mL·min－1；进样口温度250 ℃；进样体积2μL；分流比5∶1；检测器温度250 ℃。

1.3 试验方法

打开加热卷烟包装，将加热卷烟烟支滤嘴端插入捕集器，薄片端插入加热器，启动加热器，按照1.2.1节进行抽吸。取出一张剑桥滤片(直径44mm)，捕集抽吸前后加热卷烟气溶胶，每张滤片捕集卷烟个数不超过5支，捕集完成后，快速对滤片进行称重，计算得到每个烟支的总捕集物含量(TPM)。取一张新的剑桥滤片，裁切为四分之一，擦拭捕集器上残留的水分；擦拭完成后，与之前使用过的捕集滤片一起放入100 mL 的圆底瓶中，迅速加入20 mL萃取剂，密封，以150次·min－1的速率振荡萃取30 min，得到萃取液，按照1.2.2节条件进行测定。

取相同的加热卷烟，不启动加热器具，采用相同参数进行抽吸。抽吸结束后，按照上述方法进行测定，得到水分空白值。用测定值减去空白值，得到加热卷烟气溶胶中水分的含量[12]。

2 结果与讨论

2.1 色谱行为

按照试验方法对加热卷烟气溶胶中水分进行测定，所得色谱图见图1。

图1 色谱图Fig.1 Chromatogram

2.2 加热卷烟抽吸前后水分的分布情况

按照GB/T 16447－2004《烟草及烟草制品调节和测试的大气环境》，将样品密封放置48 h。测定时，打开小盒包装，按照YC/T 31－1996《烟草及烟草制品试样的制备和水分测定烘箱法》，对加热卷烟抽吸前后滤嘴段、降温段、空心段和薄片段，以及抽吸后气溶胶中的水分进行测定，结果见表1。

表1 加热卷烟抽吸前后各部分的水分含量Tab.1 Moisture content of each part of heated not burned cigarette before and after smoking

由表1可知：抽吸后，薄片段的水分含量明显减少，气溶胶中的水分含量明显增多；气溶胶中的水分占薄片段减少水分的90%左右，剩余10%分别进入到滤嘴段、降温段和空心段。说明在抽吸过程中，薄片段中的水分主要进入到气溶胶中，并且抽吸后的水分总和略小于抽吸前，原因可能是一部分水分被吸附在加热器具及管路上，无法收集测定。

2.3 测定条件的优化

基于水分转移规律可知，影响加热卷烟气溶胶中水分含量的主要因素有烟支平衡条件、抽吸前后滤片放置条件、抽吸参数和滤片捕集能力，因此试验考察了上述条件对加热卷烟气溶胶中水分测定值的影响。

2.3.1 烟支平衡条件

传统卷烟测试前的平衡条件为温度(22±1)℃，相对湿度(60±3)%，平衡时间48 h。试验考察了22 ℃下相对湿度(50%，60%)和平衡时间(0，6，12，24，48 h)对加热卷烟气溶胶中的水分和TPM 测定值的影响，结果见图2。

图2 相对湿度和平衡时间对水分和TPM 测定值的影响Fig.2 Effect of relative humidity and equilibrium time on the determined values of moisture and TPM

由图2可知，加热卷烟气溶胶中水分和TPM的测定值均随着平衡时间的延长而增大。值得关注的是，50%低湿度条件下加热卷烟气溶胶中水分占TPM 的比值明显大于60%高湿度条件下的，说明相对湿度较高时，TPM 中除水分以外物质的释放量逐渐增多，可能是烟支中的水分提高了加热器的热传导能力。因此，为了保证测定结果的稳定性，且能反映消费者实际抽吸情况，试验采用不平衡湿度，即打开加热卷烟包装后直接抽吸的方式，测定加热卷烟气溶胶中水分的含量。

2.3.2 滤片放置条件

在温度(22±1)℃，相对湿度(60±3)%条件下，考察了滤片放置方式(密封放置和敞口放置)和放置时间(0，4，8，12，24，48，72 h)对加热卷烟气溶胶中水分测定值的影响，结果见图3。

由图3 可知：抽吸前，随着滤片放置时间的延长，在密封条件下，水分的测定值基本保持不变，而敞口放置时，水分的测定值逐渐增大；抽吸后，随着滤片放置时间的延长，在密封和敞口两种情况下水分的测定值均持续降低，且敞口放置时，水分减少量更多。产生这种情况的原因可能是由于环境湿度较低时，捕集饱和的滤片在放置过程中，水分向空气逸失，从而造成测定值降低。因此，在水分测定过程中，将抽吸前后的滤片不经放置，直接进行测试。

图3 滤片放置方式和放置时间对水分测定值的影响Fig.3 Effect of placement way and time of filter on the determined values of moisture

2.3.3 抽吸间隔

保持抽吸容量(35 mL)、抽吸口数(7口·支－1)不变，考察了抽吸间隔分别为30，40，50，60 s时对加热卷烟气溶胶中水分测定值的影响，结果见图4。

图4 抽吸间隔对水分和TPM 测定值的影响Fig.4 Effect of puff interval on the determined values of moisture and TPM

由图4可知，随着抽吸间隔的增加，气溶胶中水分和TPM 测定值基本保持不变，水分占TPM 的比值也无明显波动，说明抽吸间隔对水分含量影响较小。为了提高抽吸效率，试验选择抽吸间隔为30 s。

2.3.4 抽吸口数

保持抽吸容量(35 mL)、抽吸间隔(30 s)不变，考察了抽吸口数(1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12口·支－1)对加热卷烟气溶胶中水分测定值的影响，结果见图5。

图5 抽吸口数对水分测定值的影响Fig.5 Effect of puff number on the determined values of moisture

由图5可知：抽吸1口·支－1或2口·支－1时，气溶胶中水分的测定值偏低；抽吸3～6 口·支－1时，水分的测定值保持稳定；当抽吸7口·支－1时，水分测定值开始逐渐降低；当抽吸10口·支－1时，水分测定值的降低速率变快。造成这种现象的原因可能是由于抽吸口数较少时，加热器具的温度没有达到平衡，随着抽吸的进行，烟支薄片段水分逐渐减小，进而导致后半段水分测定值降低。因此，为保证每口抽吸中水分的平均值最大，试验选择卷烟的抽吸口数为7口·支－1。

2.3.5 滤片捕集总口数

试验考察了剑桥滤片捕集总口数(7，14，21，28，35，42，49口)对加热卷烟气溶胶中水分和TPM 测定值的影响，结果见图6。