卡尔费休法快速测定加热不燃烧再造烟叶中水分含量

李美红，朱 婷，秦 琦，李淳皓，陈 华，杨 熙，王子权，肖 冬，师建全，刘 静

（1.中烟施伟策（云南）再造烟叶有限公司，云南玉溪 653100；2.云南中烟工业有限责任公司，昆明 650231）

在愈来愈严峻的控烟形势下，国内外烟草生产者把研究和开发下一代烟草制品和烟草替代品作为发展的重要目标和竞争焦点，中国在新型烟草的研发领域还处于起步阶段，新型烟草制品在一定程度上满足消费者对烟碱的需求，对人体和环境的危害低，被认为是未来烟草行业发展的热点领域［1］。加热不燃烧烟草是利用特殊热源对烟丝进行加热（500 ℃以下甚至更低）烟丝只加热而不燃烧的新型烟草制品，在其配方中添加1，2-丙二醇和甘油作为新型烟草烟雾发烟剂［2-5］。相对于传统烟草制品来说，水分对加热不燃烧烟草制品的影响更大，这是由于加热不燃烧烟草制品含有大量的吸水性发烟剂，比传统卷烟对水分的要求更高，水分过高、过低都会影响发烟效果、烟气温度、抽吸口感［6］。

烟草制品水分检测的方法主要有烘箱法［7］、气相色谱法［8］、近红外光谱技术［9］和微波频谱技术［10］等。为保证最终获得合格产品，现代工业生产都要求对其生产过程进行监控和测试，采用离线方式对生产过程中的水分进行分析，而检测数据的提供往往滞后于生产过程，难以实现在线监控。行业标准规定的水分检测方法为烘箱法，该方法由于烘烤时长及加热不燃烧再造烟叶中含有大量发烟剂等，因此不适用于加热不燃烧再造烟叶中水分的测定。气相色谱法［8］由于对环境和人员要求较高，不适用于在线快速分析；红外测量因波长短，测量深度浅，仅能检测到表面的水分［10］，而加热不燃烧再造烟叶表面附着大量发烟剂，因此不适用于加热不燃烧再造烟叶的水分分析。卡尔费休法由于对水分选择性高，广泛用于胡椒［11］、烟用香精［12］、饲料［13］、油脂［14］和烟草制品［15］等水分的测定，国标中卡尔费休法测试烟草制品水分［9］，前处理条件萃取时间较长，难以满足加热不燃烧再造烟叶水分快速检测。针对加热不燃烧再造烟叶水分测定方法，文献中少有报道，基于此，本研究探索了加热不燃烧再造烟叶水分快速测定的方法，旨在为加热不燃烧再造烟叶水分在线监控提供参考。

1 材料与方法

1.1 仪器、试剂与材料

仪器：V10S 容量法卡尔费休仪（梅特勒托利多公司）；Milli-Q 超纯水仪（美国MILLIPORE 公司，电阻率＞18.0 MΩ·cm）；切丝机（河南省开封捷利器材厂）；HY-8 调速多用振荡器（金坛市友联仪器研究所）；BSA224S-CW 电子天平（感量0.000 1 g，德国Sartorius 公司）；UF260 烘箱（德国美墨尔特有限公司）；PE680 气相色谱仪（美国PerkinElmer 公司，配有热导检测器），微量注射器（50 μL）；单刻度移液管（5 mL），锥形瓶（150 mL）。

试剂：甲醇（色谱纯，德国Merck 公司），去离子水，容量法单组份卡尔费休试剂无吡啶，滴定度5 mg/mL（分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司）。

材料由中烟施伟策（云南）再造烟叶有限公司提供。

1.2 方法

1.2.1 预滴定 在反应瓶中加人足量的甲醇以浸没铂电极末端，用卡尔费休试剂滴定甲醇中的水分至终点。

1.2.2 标定 用微量注射器吸入20 μL 水，用减量法称重，记录准确加入滴定杯中的水重量。用卡尔费休试剂滴定，记录滴定耗用试剂的体积。重复滴定，2 次滴定的偏差不超过0.03 mL，计算平均滴定体积。

1.2.3 样品处理 样品预先切丝处理。准确称量1 g处理后的样品，精确至0.1 mg，放入干燥好的三角瓶中。同一样品至少制备2 个测试样品。

准确移取50 mL 甲醇萃取剂至三角瓶中，确保萃取剂浸没样品，并立刻上盖密封，同时用封口膜密封。在振荡器上振荡萃取10 min，转速为180 r/min。

1.2.4 滴定分析 准确移取5 mL 萃取液（上层清液），迅速加人反应瓶中滴定。记录耗用试剂的体积。重复测定，计算水分。如果2 次测定的相差不大于质量分数0.3%，取2 次测定结果的算术平均值。

1.2.5 空白试验 与样品处理同步进行，移取50 mL甲醇于150 mL 锥形瓶。用单刻度移液管从锥形瓶中移取5 mL 等份的甲醇至反应瓶。用卡尔费休滴定终点并记录耗用试剂的体积。重复测定，如果2次测定的偏差不超过0.05 mL，取2 次滴定体积的算术平均值。

1.2.6 数据处理 试样中烟草水分含量计算式如下（也可由仪器自带公式进行计算，系统将自动进行漂移补偿计算）。

式中，Wt为试样中水分质量百分数；Vt为滴定耗用的卡尔费休试剂体积，单位为mL；B为空白值；Va为加入反应瓶中试样萃取液的体积，单位为mL；E为卡尔费休试剂的滴定度，单位为mg/mL；V为制备试样萃取液的总体积，单位为mL；m为测试样的重量，单位为mg。

2 结果与分析

2.1 前处理条件优化

2.1.1 称样量稳定性考察 考察了不同称样量对测定结果的影响，理论滴定剂浓度为5 mg/mL，实际滴定度以标定数值计，卡尔费休试剂滴定管容量为5 mL，消耗滴定剂1.0～4.0 mL 比较适宜，相当于含水量5～20 mg，加热不燃烧再造烟叶成品中含水量通常在6.5%～13.0%，且大多数稳定在8%～10%，因此称样量在0.5～2.0 g 比较适宜。本研究分别考察了0.5、1.0、2.0 g 称样量，结果（表1）表明，称样量在0.5～2.0 g 时结果均能接受，相对标准偏差能满足测试要求，综合考虑样品均匀性、代表性、萃取剂浸没样品等因素，确定称样量为1.0 g。

表1 不同称样量结果稳定性考察

2.1.2 提取方法选择 对比了内部直接萃取法及外部萃取法检测结果，内部直接萃取法（即直接称取固体样品加入滴定杯中）结果不稳定，波动较大，样品中的水分难以在反应过程中完全萃取出来，且直接萃取称样量仅0.1 g（依据滴定度反推称样量），样品均匀性、代表性不够；外部萃取法结果稳定，考虑超声萃取水分受热易挥发，同时综合考虑溶剂与被测物极性、溶解性等化学性质，因此采用外部萃取法-甲醇常温振摇萃取。

2.1.3 萃取时间的选择 称取1 g 样品，加入50 mL无水甲醇溶液萃取，比较萃取时间为5、10、15、30 min的结果，结果见图1，图1 表明萃取时间为10～30 min时检测结果较接近，萃取比较完全，综合萃取效率及检测时效性因素，选择萃取10 min。

图1 不同萃取时间的比较

2.2 线性范围考察

由图2 可知，在水重量为2.5～25.0 mg 时，相关系数为0.999 6，线性关系良好，卡尔费休试剂的实际滴定度为5.511 2 mg/mL，满足定量分析的基础。

图2 线性范围

2.3 分析方法验证

对同一加热不燃烧再造烟叶样品称取6 个平行样品进行检测，结果见表2。取上述加热不燃烧再造烟叶样品3 份，以样品中水分含量为基准，分别加入低、中、高3 个水平的水分，每个添加水平测定平行样。加标后的样品分别进行前处理和滴定分析，由样品中原含量、加标量和测定值计算样品加标回收率，结果见表3。

表2 样品精密度试验

表3 样品加标回收率

由表2、表3 可知，水分相对标准偏差为0.64%、加标回收率在96.40%～102.46%，表明该方法准确性高、重复性好，适用于加热不燃烧再造烟叶中水分的定量分析。

2.4 效果验证

选取不同含水率区间的样品，样品含水率在5%～13%，样品充分混匀，切丝，采用四分法分取样品，取出20 g，分装两袋，立即密封。分别用气相色谱法［8］和卡尔费休法测定水分进行验证对比，结果见表4，结果表明卡尔费休法与气相色谱法分析结果接近。根据正态性检验结果（表5）显示，试验组与对照组正态性检验显著性均小于0.05，数据均呈非正态分布，因此选用Fisher 精确检验。根据交叉表（表6）卡方检验显示，Fisher 精确检验值为1.245，P为1.000，大于0.05，说明2 组试验数据间不存在显著差异。

表4 20 个样品检测结果

表5 正态性检验结果

表6 交叉表检验结果

3 小结

本研究对样品的前处理和检测条件进行了考察，建立了测定加热不燃烧再造烟叶水分卡尔费休法。在水重量为2.5～25.0 mg时，相关系数为0.999 6，线性关系良好，加标回收率为96.40%～102.46%。抽取不同区间水分样品进行检测，与气相色谱法检测结果进行对比，并进行统计学分析，2 种方法检测结果差异不显著。结果表明，该方法前处理简单、重复性好，检测时间短，适用于加热不燃烧再造烟叶生产线水分在线监控。