惠非琼，杨 超，姬厚伟,蒋惠智，杨敬国，庞红蕊，王 芳，黄锡娟，刘 剑

(贵州中烟工业有限责任公司技术中心，贵州 贵阳 550009)

近年来，随着烟草行业“降焦减害”和“降本增效”工作的推进，膨胀烟丝和梗丝的使用量也越来越高，主要是由于膨胀烟丝或梗丝具有填充能力强[1-2]、燃烧性能好[3-4]和降焦减害效果明显[5-6]等优点，其在卷烟配方中的使用既可降低卷烟单箱烟丝消耗量，又可降低卷烟的焦油释放量，因此，烟草膨胀技术一直是烟草行业的重点研究领域之一，国内外研究人员纷纷对烟草膨胀工艺技术和设备进行深入研究，新技术、新工艺不断涌现，使其已成为卷烟制造过程中的重要组成部分[7-8]。目前，传统的氟利昂(CFCs)烟丝膨胀法已被淘汰，干冰膨胀法使用最为成熟，蒸汽膨胀[9-10]和微波膨胀[11-12]等新型膨胀技术也被开发利用。国内外使用的烟草膨胀主要有蒸汽、干冰、液氮及SP 系列的烟丝膨胀剂KC-2等[13-14]，KC-2烟丝膨胀剂主要成分是二氯一氟乙烷。卷烟生产中发现，新型膨胀介质KC-2应用于烟丝膨胀中时，存在介质残留问题，而介质残留直接影响卷烟的吸食品质。因此，建立快速、准确的检测烟丝中膨胀介质残留的分析方法具有重要意义，可指导工艺改进，减少膨胀后烟丝介质的残留。

膨胀介质KC-2是一种良好的烟丝膨胀剂，经其膨胀的烟丝色泽鲜亮、体态饱满。KC-2作为烟丝新型膨胀介质使用，对其残留检测尚未报道。基于介质KC-2无色透明、低沸点和易挥发的理化性质，适于气相色谱分析[15]。而作为目前易挥发、低沸点化合物的检测使用最多的静态顶空分析(static headspace，SHS)，其原理是对处于已达到平衡的密闭容器中液体或固体样品的顶空气体进行分析，该方法因其快速、高效、无需复杂的样品前处理，近年来已在食品、环境和药物等多个分析领域得到广泛应用[16-17]。目前，还未见静态顶空-气相色谱质谱法测定烟丝膨胀介质残留的研究报道。为此，将SHS与气相色谱-质谱(GC-MS)相结合，建立其快速、高效和准确检测烟丝中膨胀介质残留检测方法，为完善新型膨胀介质KC-2的工艺技术和提高卷烟吸食品质提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料

膨胀烟丝样品：由铜仁卷烟厂提供。

仪器：Perkin Elmer Clarus 600型气相色谱/质谱联用仪、Turbo Matrix 40 Trap自动顶空仪，PE公司。

试剂：环己烷(色谱纯)，天津大茂化学试剂厂；新型膨胀介质KC-2(纯度99%)，北京航天实验技术研究所101所；玻璃器皿若干。

1.2 方法

1.2.1 样品制备 称取0.5 g 膨胀烟丝样品(精确至0.001 g)于顶空瓶中，加入1 mL环己烷，迅速压紧瓶盖，放入顶空进样器上用于GC-MS 测定。外标法定量。

1.2.2 静态顶空分析条件 静态顶空分析采用自动顶空仪进行。样品平衡温度60℃，循环温度120℃，传输线温度140℃；样品平衡时间15 min；样品瓶加压压力35 psi，载气压力40 psi；加压时间2.0 min，充气时间0.20 min；样品平衡时间0.05 min，进样时间0.1 min。

1.2.3 气相色谱-质谱条件 1)气相色谱。色谱柱为HP-PONA柱(50 m×0.2 mm×0.5 μm)，炉温初始温度40℃保持4 min，4℃/min 升至80℃，然后以20℃/min升至150℃保持5 min；进样口温度150℃；分流比50∶1；载气为高纯氦气(纯度≥99.999 %)，恒流模式；柱流量为0.8 mL/min。

2)质谱。EI电离能量70 eV；离子源温度230℃，传输线温度250℃；溶剂延迟时间0.2 min；扫描方式为全扫描，扫描范围 29～400 aeu；选择离子监测(SIM)，监测离子为61和81。

1.3 条件选择与样品测定

1.3.1 平衡时间和平衡温度的选择 根据顶空的特性和目标化合物的理化性质，选择不同平衡温度和不同平衡时间在色谱柱上进行试验。

1)平衡时间。将70 μg/mL KC-2介质标准溶液1 mL加入未膨化的烟丝中，在60℃平衡温度下选择10 min、15 min、20 min和30 min不同平衡时间进行测定。

2)平衡温度。将70 μg/mL KC-2A介质标准溶液1 mL加入到未膨化的烟丝中，在15 min平衡时间下选择40℃、50℃、60℃和80℃不同平衡温度进行测定。

1.3.2 基质校正剂的选择 为了准确地进行定量分析，选择定量分析样品与标准溶液具有相同的基质，可以有效地消除样品的基质效应[13]。试验考察甲醇、正己烷、乙酸乙酯和环己烷4种有机溶剂作为基质校正剂对分析结果的影响。

1.3.3 色谱及质谱条件的选择 根据分析目标物的理化性质和相关文献资料[16]，选择目标化合物介质KC-2和膨胀烟丝样品可得到较好分离基线色谱及质谱条件。

1.3.4 工作曲线及检出限 分别量取5 μL、10 μL、20 μL、50 μL、100 μL和150 μL KC-2介质标准溶液于1 mL环己烷溶剂中配制系列标准溶液，其质量浓度分别为3.5 μg/mL、7.0 μg/mL、14 μg/mL、35 μg/mL、70 μg/mL和105 μg/mL，并分别加入0.5 g未膨化的烟丝。分别对7个不同浓度的标准溶液进行静态顶空-GC/MS分析，并以KC-2介质色谱峰面积为纵坐标与其相应质量浓度X(μg/mL)为横坐标进行回归分析。

1.3.5 回收率及重复性 称取0.5 g未膨胀烟丝(介质KC-2含量为0)，分别加入1 mL浓度为5.0 μg/mL、10.0 μg/mL和20.0 μg/mL的标准溶液，按试验设定方法进行静态顶空-GC/MS分析，每个浓度平行试验6次，并根据测定量、加标量和原含量计算回收率。

1.3.6 样品介质残留量的测定

1)恒温恒湿存放不同时间。将膨胀烟丝样品在22℃及60%相对湿度恒温恒湿环境下存放1 d、3 d、4 d、5 d和10 d后检测烟用介质KC-2的残留量。

2)烘烤时间。将膨胀烟丝样品分别置于25℃和30℃烘箱中烘烤0、0.5 h、1.0 h和2.0 h后考察烟用介质KC-2的残留量。因40℃和50℃处理烟丝造碎严重，不利于后期利用，故不考虑这2个温度。

1.4 数据处理

采用Excel 2010和SPSS 19.0处理数据及统计分析。

2 结果与讨论

2.1 平衡时间和平衡温度的选择

从图1看出，将70 μg/mL KC-2介质标准溶液1 mL加入到未膨化的烟丝中，在试验条件下，介质KC-2响应色谱图峰面积平衡时间10～15 min呈上升趋势，15～20 min呈下降趋势，20～30 min变化较小。可能是因为介质KC-2沸点较低易挥发，因此相对平衡时间影响较小。试验色谱程序升温时间为21.5 min，为使样品充分平衡，选择15 min为平衡时间。将70 μg/mL KC-2介质标准溶液1 mL加入到未膨化的烟丝中，在试验条件下，随着平衡温度的提高，KC-2介质峰面积逐渐增大，在40～60℃增速稍小，而在60～80℃增速明显。考虑到该方法旨在检测常温下膨胀烟丝中膨胀介质KC-2的残留量，且介质KC-2沸点低，兼顾样品介质KC-2充分挥发，提高方法灵敏度及减少样品基质干扰的要求，选择60℃为平衡温度。

图1 顶空平衡时间与温度下的峰面积Fig.1 Peak area versus to headspace equilibrium time and temperature

2.2 基质校正剂的选择

顶空气体中各组分的含量既与其本身的挥发性有关，又与样品基质有关，尤其是那些在样品基质中溶解度大(分配系数大)的组分，基质效应更为明显，即顶空气体的组成与原样品中的组成不同，这对定量分析的不良影响尤为严重。甲醇、正己烷和乙酸乙酯沸点分别为64.5℃、68.7℃和77.0℃，这几种溶剂出峰时间和介质KC-2较为接近，影响介质准确定量，不适合作为介质KC-2的基质校正剂。环己烷沸点为80.0℃，且是一种较好的亲水试剂，可溶解KC-2介质，使得样品均匀分散于基质溶剂中，从而使定量结果更为准确，因此选择环己烷作为基质溶剂。

2.3 色谱和质谱条件的选择

从图2看出，在试验条件下，色谱分离柱选择HP-PONA(50 m×0.2 mm×0.5 μm)，质谱监测目标离子(m/z)和辅助定量离子(m/z)选择81和61，介质KC-2在5.06 min时即可得到较好的基线分离，膨胀烟丝样品在5.07 min时即可得到较好的基线分离，初始炉温和程序升温优化的整个分离过程在21.5 min即可完成。因此，色谱分离柱选择HP-PONA，质谱监测目标离子(m/z)和辅助定量离子(m/z)分别选择81和61。

图2 介质KC-2(a)和膨胀烟丝样品(b)的选择离子色谱Fig.2 Selected ion chromatography of medium KC-2(a)and expanded tobacco sample(b)

2.4 工作曲线、检出限、回收率及重复性

在试验条件下，不同浓度标准溶液静态顶空-GC/MS分析的回归方程Y=1 741.89X(r2=0.999 9)。以3倍信噪比(S/N≥3)计算出检出限为0.03 μg/mL，表明方法具有较好的线性关系及较低的检出限，能够满足样品的定量分析。从表1可知，介质KC-2的回收率99%～109%，说明方法的准确性较高；介质KC-2的相对标准偏差为0.3%～1.6%，小于5%，说明方法的重复性较好。

表1 膨胀烟丝样品中介质 KC-2的回收率和重复性(n=6)Table 1 Recovery and repeatability of KC-2 in expanded cut tobacco samples(n=6)

2.5 恒温恒湿下存放不同时间后膨胀烟丝样品中介质KC-2的残留量

从表2可知，在22℃和60%相对湿度的恒温恒湿下经过1 d、3 d、4 d、5 d、10 d的恒温恒湿处理后，膨胀烟丝样品中烟用介质KC-2的残留量分别4.68 μg/g、4.21 μg/g、2.73 μg/g、1.89 μg/g和0.72 μg/g，分别较CK下降28.7%、35.8%、58.4%、71.2%和89.0%。处理10 d，膨胀烟丝中的介质含量下降率最大，且10 d后，膨胀烟丝样品中烟用介质KC-2的残留量趋于稳定。因此，在实际生产中，建议恒温恒湿环境下储藏存放5 d左右较为合适，使得膨胀烟丝中介质残留量最小化，同时又不影响卷烟生产使用。

表2 恒温恒湿(22℃和 60%相对湿度)下膨胀烟丝样品中介质KC-2的残留量
Table 2 Residue of KC-2 in expanded cut tobacco samples at 22℃ and relative humidity of 60%

时间/dTimeKC-2/(μg /g)下降率/%Decreasing rate0(CK)6.56014.6828.734.2135.842.7358.451.8971.2100.7289.0

2.6 烘烤不同时间后膨胀烟丝样品中介质KC-2的残留量

从表3看出，25℃下烘箱中烘烤0.5 h、1.0 h和2.0 h膨胀烟丝样品中介质KC-2的残留量分别为16.56 μg/g、14.05 μg/g和10.71 μg/g，较CK分别下降16.2%、28.9%和45.8%；30℃下烘箱中烘烤0.5 h、1.0 h和2.0 h膨胀烟丝样品中介质KC-2的残留量分别为5.56 μg/g、5.28 μg/g和2.81 μg/g，较CK分别下降71.8%、73.3%和85.8%。30℃时膨胀烟丝样品中介质KC-2残留量的下降率较25℃高，该温度下烘2 h烟丝中膨胀介质KC-2残留量下降率最高，较CK下降85.8%。表明，温度对介质残留量的影响较大。因此，在实际生产工艺中，在满足感官质量需求的前提下，可以在工艺线上膨胀烟丝出口处和输送到储丝房间增加一个加热环节和回潮环节，温度30℃，时间15～30 min，既能加快介质释放，又保持烟丝水分，同时大大缩短在恒温恒湿环境下储藏存放时间，提高膨胀烟丝使用周期。

表3 不同温度烘烤不同时间膨胀烟丝样品中介质KC-2的残留量
Table 3 Residue of KC-2 in expanded cut tobacco samples after baking at different temperature and time

时间/hTime25℃ KC-2/(μg /g)下降率/%30℃KC-2/(μg /g)下降率/%0(CK)19.75019.7500.516.5616.25.5671.81.014.0528.95.2873.32.010.7145.82.8185.8

3 小结

研究结果表明，烟丝膨胀介质KC-2残留的静态顶空-气相色谱质谱测定方法，样品前处理操作简便、重复性好、准确性高和快速灵敏，适于膨胀烟丝中膨胀介质KC-2残留量的测定。并考察了膨胀烟丝储存条件(温度和时间)对其介质残留量的影响。在膨胀烟丝储存过程中，22℃和60%相对湿度恒温恒湿条件下，存放1 d、3 d、4 d、5 d和10 d后，膨胀烟丝样品中烟用介质KC-2的残留量分别较CK下降28.7%、35.8%、58.4%、71.2%和89.0%；当处理5 d和10 d后，介质KC-2的残留量下降率较大，结合生产需求和节约生产成本的要求，建议在实际生产中可以选择将膨胀烟丝样品在22℃和60%相对湿度的恒温恒湿条件下处理5 d后使用。研究还发现，经烘箱烘烤后膨胀烟丝样品中介质KC-2含量下降较快，30℃时膨胀烟丝样品中介质KC-2残留量下降率较25℃高，温度对介质残留量的影响较大。因此，在实际生产中，在满足感官质量需求的前提下，建议生产部门可以在工艺线上膨胀烟丝出口处和输送到储丝房间的环节中增加一个加热和回潮环节，加热温度30℃，时间15～30 min，既能加快介质释放，又能保持烟丝水分，同时大大缩短在恒温恒湿环境下储藏存放的时间，提高膨胀烟丝的利用率。