介质碰撞萃取结合气相色谱法测定烟草及烟草制品中水分、1,2-丙二醇、丙三醇和烟碱的含量

梁秋菊,王志国*,杜 文,刘 巍,尹新强,卢红梅

(1.湖南中烟工业有限责任公司技术中心,长沙 410007; 2.中南大学 化学化工学院,长沙 410083)

烟草及烟草制品主要包括传统卷烟和新型卷烟等,新型卷烟即加热不燃烧卷烟,是通过加热源对烟丝或烟草提取物进行加热,烟草物质并不燃烧,将香味成分和尼古丁等挥发出来满足吸食者的需求[1],有研究表明,其释放的有害成分较传统卷烟低[2-3]。烟草材料的含水率是其重要质量指标,会影响烟草材料的物理性能和内在品质等[4-5]。1,2-丙二醇和丙三醇常用作新型卷烟材料的雾化剂,其含量将直接影响卷烟的烟气释放和感官评价[6-8]。烟碱是烟草制品的关键活性成分,烟草制品中烟碱含量与产品的劲头、生理感受、刺激性等密切相关。准确测定烟草及烟草制品中水分、1,2-丙二醇、丙三醇和烟碱等主要成分的含量对其产品开发和质量监控有重大意义。

目前烟草行业内测定烟草含水率的方法主要有烘箱法[9]、卡尔费休滴定法[10]、气相色谱法[11]、微波法[12]、近红外光谱法[13-14]、低场核磁共振法[15]等。测定1,2-丙二醇和丙三醇含量的方法主要有气相色谱法[16-17]、液相色谱法[18]和拉曼光谱法[19]等。测定烟碱含量的方法主要有近红外光谱法[20]、液相色谱法[21]和气相色谱法[22-24]等。以上针对烟草及烟草制品中水分、1,2-丙二醇、丙三醇和烟碱的检测方法中,样品制备时常需要烘烤或研磨,影响测定结果的准确度;前处理耗时长,4种成分需要分类处理。用行业标准方法YC/T 246-2008《烟草及烟草制品 烟碱的测定 气相色谱法》、YC/T 345-2010《烟草及烟草制品 水分的测定 气相色谱法》和YC/T 243-2008《烟草及烟草制品1,2-丙二醇、丙三醇的测定 气相色谱法》进行测定时,样品也需经液氮冷冻破碎或粉碎处理,并且振荡萃取需2～3 h,费时耗力。如何得到准确有效的测定结果,如何在短时间内快速完成对各种烟草及烟草制品中水分、1,2-丙二醇、丙三醇和烟碱的同时前处理和检测,成为分析工作者需要解决的问题。

文献[28]采用气相色谱-热导检测器(TCD)法实现对加热不燃烧卷烟烟草材料中水分、1,2-丙二醇、丙三醇和烟碱的同时测定,但样品需要研磨处理,容易造成水分、1,2-丙二醇和丙三醇的损失,使得测定结果不准确;采用振荡萃取的前处理方法,耗时长;另外该研究测试的是游离烟碱的含量而非总烟碱的含量。介质碰撞萃取是近几年发展起来的一种前处理技术,广泛应用于生命科学等领域的研究中[25-27],其工作原理是利用高碰撞力、高剪切力的碰撞介质与待测样品在机械力的作用下进行高频撞击,将待测样品破碎为极小的颗粒,在合适的萃取剂环境中将目标物高效地提取出。

本工作采用介质碰撞快速萃取,结合气相色谱法,实现了对烟草及烟草制品中水分、1,2-丙二醇、丙三醇和烟碱等4种主要成分的同时前处理和测定,用时短,旨在为烟草及烟草制品中主要成分的快速检测提供参考。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

7890B型气相色谱仪,配TCD、氢火焰检测器(FID)和7693 A型双塔进样器;PROX型扫描电子显微镜;Fastprep-24型介质碰撞萃取仪,碰撞介质M(ϕ6.350 mm柱形陶瓷珠);Milli-Q50型 超 纯 水仪;0.22μm有机系滤膜。

萃取剂:含有6.5 g·L-1异丙醇(水分的内标)、2.5 g·L-11,4-丁二醇(1,2-丙二醇和丙三醇的内标)和4.0 g·L-1正十七烷(烟碱的内标)的体积比为100∶15的甲醇-三乙胺混合液。

水分标准储备溶液:20.00 g·L-1,称取1.000 0 g超纯水于50 mL容量瓶中,用萃取剂定容,配制成质量浓度为20.00 g·L-1的水分标准储备溶液。

水分标准溶液系列:分别移取0,0.2,0.4,0.8,1.2,2.0,3.0,4.0,5.0 mL水分标准储备溶液于9个10 mL容量瓶中,用含内标异丙醇的甲醇溶液定容,配制成水分质量浓度分别为0,0.40,0.80,1.60,2.40,4.00,6.00,8.00,10.00 g·L-1,内标异丙醇质量浓度为6.5 g·L-1的水分标准溶液系列。

1,2-丙二醇、丙三醇和烟碱的混合标准储备溶液:10.00 g·L-1,准确称取1,2-丙二醇、丙三醇和烟碱各0.500 0 g于50 mL容量瓶中,用萃取剂定容,配制成质量浓度为10.00 g·L-1的1,2-丙二醇、丙三醇和烟碱的混合标准储备溶液。

1,2-丙二醇、丙三醇和烟碱的混合标准溶液系列:分 别 移 取0,0.1,0.2,0.5,1.0,2.0,3.0,5.0 mL 1,2-丙二醇、丙三醇和烟碱的混合标准储备溶液于8个10 mL容量瓶中,用含内标1,4-丁二醇、正十七烷的甲醇溶液定容,配制成1,2-丙二醇、丙三醇和烟碱的质量浓度分别为0,0.10,0.20,0.50,1.00,2.00,3.00,5.00 g·L-1,内标1,4-丁二醇质量浓度为2.5 g·L-1,正十七烷质量浓度为4.0 g·L-1的1,2-丙二醇、丙三醇和烟碱的混合标准溶液系列。

1,2-丙二醇、丙三醇、异丙醇、1,4-丁二醇的纯度不小于99.0%;正十七烷的纯度不小于99.5%;甲醇为色谱纯;试验用水为屈臣氏纯净水。

卷烟烟丝、卷烟烟叶片、烟草薄片a、烟草薄片b、烟草薄片c、烟草薄片d来自湖南中烟工业有限责任公司;IQOS薄片丝、Glo薄片丝来自国外某烟草公司。

1.2 仪器工作条件

测定水分时采用HP-PLOT/Q色谱柱(30 m×0.53 mm,40μm),测定1,2-丙二醇、丙三醇和烟碱时采 用Rtx＠-BAC1色 谱 柱(30 m×0.32 mm,1.8μm);进样口温度250℃;进样量1μL;分流进样,分流比50∶1;载气为氮气,流量1.8 mL·min-1;水分采用TCD检测,1,2-丙二醇、丙三醇和烟碱采用FID检测,检测器温度275℃;氢气流量40 mL·min-1,空气流量450 mL·min-1;尾吹气为氮气,流量25 mL·min-1。柱升温程序:初始温度90℃,保持1 min;以速率15℃·min-1升温至120℃;以 速 率40℃·min-1升温 至240℃,保 持4 min。

1.3 试验方法

从测试样品(烟叶片、烟丝、薄片或薄片丝等烟草及烟草制品)中随机抽取约10 g样品,充分混匀。称取样品0.400 0 g,不需要破碎处理(减少了研磨等操作过程中的水分损失和物质变化),置于15 mL含碰撞介质M的具塞离心管中,加入10 mL萃取剂,室温处理2 min(线速率为4 m·s-1),静置3 min,取上清液(可根据实际情况进行适度稀释)过0.22μm有机系滤膜后进行气相色谱分析,介质碰撞萃取同时处理的样品数量为12个。

2 结果与讨论

2.1 色谱行为

按照仪器工作条件对3.00 g·L-1的水分标准溶液和2.00 g·L-1的1,2-丙二醇、丙三醇和烟碱的混合标准溶液进行测定,其色谱图如图1所示。

图1 典型色谱图Fig.1 Typical chr o matogra ms

2.2 前处理条件的优化

试验中采用的介质碰撞萃取仪是一种机械处理设备,处理时间短,放热量小。烟草制品在利用介质碰撞萃取处理前后的变化如图2所示。

图2 烟草制品在介质碰撞萃取前后的变化Fig.2 Change of tobacco products before and after mediu m collision extraction

2.2.1 萃取剂

在烟草薄片质量为1 g,处理线速率为4 m·s-1,萃取时间为1 min,料液比[质量体积比,m(g)∶V(mL),下同]为1∶10的条件下,分别以甲醇、乙醇、异丙醇为萃取剂,试验比较了3种萃取剂对水分、1,2-丙二醇、丙三醇和烟碱的萃取效率,结果见图3。

由图3可知:甲醇、乙醇对水分和1,2-丙二醇的萃取效率优于异丙醇,两种溶剂的萃取效率差异不大;而甲醇对丙三醇和烟碱的萃取效率优于乙醇。因此,将甲醇选为萃取剂。

图3 萃取剂对水分、1,2-丙二醇、丙三醇和烟碱萃取效率的影响Fig.3 Effect of extraction solvents on extraction efficiency of moist ure,1,2-propylene glycol,glycerol and nicotine

选取某烟草薄片样品利用行业标准方法YC/T 246-2008中推荐的甲基叔丁基醚法进行前处理操作及测定,分别进行加碱液处理与不加碱液处理,其他操作相同。结果表明:加碱液处理的样品中烟碱的测定结果(5.51 mg·g-1)明显高于不加碱液处理直接进行萃取的样品中烟碱的测定结果(2.23 mg·g-1)。由此可见,烟草薄片中的烟碱并不都是以游离态的形式存在的,须进行加碱液处理,将烟碱全部释放出来后再进行测定。

要实现烟草及烟草制品中水分、1,2-丙二醇、丙三醇和烟碱的同时萃取,不能用氢氧化钠溶液进行酸度调节,试验选用碱性较强的有机碱三乙胺。进一步考察了不同体积比的甲醇-三乙胺混合液萃取下水分、1,2-丙二醇、丙三醇和烟碱的测定结果,如表1所示。

表1 不同体积比的甲醇-三乙胺混合液萃取下水分、1,2-丙二醇、丙三醇和烟碱的测定结果Tab.1 Deter mination results of moisture,1,2-propylene glycol,glycerol and nicotine extracted by the mixture of methanol-triethylamine at different volume ratios

结果表明:三乙胺的有无及用量多少对水分、1,2-丙二醇和丙三醇的测定结果影响不大;而随着三乙胺体积占比的增大,烟碱测定结果逐步增大,当甲醇和三乙胺的体积比为100∶15时烟碱测定结果几乎不再变化。因此,试验选择甲醇与三乙胺的体积比为100∶15。

2.2.2 料液比

试验考察了不同的料液比(1∶10、0.5∶10、0.4∶10、0.3∶10)对水分、1,2-丙二醇、丙三醇和烟碱萃取效果的影响,结果如表2所示。

表2 料液比对各组分测定结果的影响Tab.2 Effect of material liquid r atio on deter mination result of each component

结果显示,料液比对水分测试结果影响不大,而1,2-丙二醇、丙三醇和烟碱的测试结果随料液比的减小而增大,在料液比为0.4∶10时趋于稳定。因此,试验选择料液比为0.4∶10。

2.2.3 萃取程序

对某一烟草薄片在采用不同线速率和处理时间进行试验时发现:当处理时间为1 min时,将线速率由4 m·s-1逐步增大到6.5 m·s-1,水分、1,2-丙二醇和丙三醇的测定含量均无明显变化;当线速率为4 m·s-1,逐渐延长处理时间到3 min时发现,水分的含量几乎没有变化,1,2-丙二醇、丙三醇和总烟碱的含量在处理时间为2 min时略有升高,继续延长处理时间测定结果变化不大,如表3所示。因此,试验最终确定介质碰撞萃取的最优程序:线速率4 m·s-1,处理时间2 min。

表3 处理时间对各组分测定结果的影响Tab.3 Effect of treat ment ti me on deter mination result of each component

2.3 标准曲线、检出限和测定下限

按照仪器工作条件分别对水分标准溶液系列和1,2-丙二醇、丙三醇和烟碱的混合标准溶液系列进行测定。以各目标物质量浓度与内标质量浓度的比值为横坐标,各目标物峰面积与内标峰面积的比值为纵坐标绘制标准曲线,得到目标物的线性范围、线性回归方程和相关系数,见表4。

将最低浓度水平标准溶液连续进样10次,以测定值的3倍标准偏差(s)作为检出限(3s),10倍标准偏差作为测定下限(10s),结果如表4所示。

表4 线性参数、检出限和测定下限Tab.4 Linearity para meters,detection limits and lower limits of deter mination

2.4 精密度和回收试验

按照试验方法对同一加热不燃烧卷烟的烟草薄片样品进行6次平行测定,随后在第0,2,4,6,8,10,12,14 d分别对该样品进行取样检测,计算日内、日间精密度试验测定值的相对标准偏差(RSD)。结果显示:水分、1,2-丙二醇、丙三醇和烟碱的日内精密度RSD分别为1.7%,2.6%,2.9%,1.6%,日间精密度RSD分别为3.9%,2.7%,3.7%,1.8%。说明本方法稳定,精密度高。

同一烟草薄片样品取3份,分别添加低、中、高等3个浓度水平,每个浓度水平下重复测定3次,对加标后的样品进行介质碰撞萃取和气相色谱分析,计算回收率,结果如表5所示。

表5 回收试验结果Tab.5 Results of test for recovery

结果显示,水分、1,2-丙二醇、丙三醇和烟碱的回收 率分 别为95.6%～100%,95.6%～99.4%,95.2%～100%和96.5%～100%,均 在GB/T 27417-2017《合格评定化学分析方法确认和验证指南》允许的范围内(95.0%～105%),说明方法的准确度较高。

2.5 方法比对

2.5.1 烘箱法与本方法测定水分的结果比对

分别采用本方法和YC/T 31-1996《烟草及烟草制品 试样的制备及水分的测定 烘箱法》对卷烟烟叶片、卷烟烟丝和烟草薄片样品中的水分进行测定,结果如表6所示。

表6 烘箱法和本方法测定水分的结果比对Tab.6 Comparison of deter mination results of moisture between ovenmethod and this method

结果显示:两种方法在测定传统卷烟烟丝和烟叶片中水分含量时差别不大,但是烘箱法测定烟草薄片中水分的含量明显偏高。这是由于烟草薄片中含有大量的发烟介质1,2-丙二醇和丙三醇等,在利用烘箱法测水分时被计入,导致结果偏高,说明烘箱法已经不适用于烟草薄片中水分的测定。

2.5.2 行业标准方法与本方法的比对

采用行业标准方法和本方法对不同类型的烟草及烟草制品进行前处理和测定,结果见表7。

表7 行业标准方法与本方法的结果比对Tab.7 Comparison of the results between industry standar d met hods and t his method

结果表明:烟叶片、烟丝和不同类型的烟草薄片中水分、1,2-丙二醇、丙三醇和烟碱的含量各不相同,分 别 为6.08%～12.58%,0.28%～0.53%,0.16%～18.98%和2.74～18.15 mg·g-1;新型卷烟材料中丙三醇的含量明显高于传统卷烟;本方法测定水分、1,2-丙二醇和丙三醇的结果高于行业标准方法,可能由于传统标准方法在研磨或者剪切过程中各目标物会有损失;本方法测定烟碱的结果大部分低于行业标准方法,可能由于水分的测定结果影响了烟碱含量的计算。

本方法中介质碰撞萃取方法(2 min)相比行业标准中的前处理方法(每种组分振荡萃取2～3 h)优势明显,用扫描电子显微镜分别观察烟丝在两种方法处理前后的微观变化,如图4所示。

图4 烟丝处理前后的微观大小变化Fig.4 Change of micro size of cut tobacco before and after treat ment

结果表明,介质碰撞萃取处理后烟丝变为不大于30μm的颗粒,而振荡萃取在处理前后看不出明显变化。在优化的前处理条件下,利用介质碰撞萃取高效的裂解作用,大大增加了单位质量的待测烟草制品与萃取剂的接触面积,使得目标物的溶出加快,提高了萃取效率,萃取可在短时间内完成。

本工作采用介质碰撞萃取处理样品,用气相色谱法同时测定多种类型烟草制品中水分、1,2-丙二醇、丙三醇和烟碱的含量。方法中样品不需要额外研磨粉碎处理,省时、快速、简便、高效,灵敏度高,重复性好,测定准确,可为新型烟草制品质量评价和监控提供技术支持。