振蕩萃取-GC/MS 法測(cè)定卷煙主流煙氣總粒相物中的14種揮發(fā)性有機(jī)酸

姬厚偉，張 麗，滿 杰，王 芳，劉 劍，劉納納，韓 偉

貴州中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，貴陽(yáng)市小河區(qū)開發(fā)大道96號(hào) 550009

振蕩萃取-GC/MS 法測(cè)定卷煙主流煙氣總粒相物中的14種揮發(fā)性有機(jī)酸

姬厚偉，張 麗，滿 杰，王 芳，劉 劍*，劉納納，韓 偉

貴州中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，貴陽(yáng)市小河區(qū)開發(fā)大道96號(hào) 550009

建立了同時(shí)測(cè)定卷煙主流煙氣總粒相物中甲酸、乙酸和癸酸等14種揮發(fā)性有機(jī)酸的振蕩萃取-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（GC/MS）方法。捕集了卷煙主流煙氣總粒相物的劍橋?yàn)V片經(jīng)添加乙酸苯乙酯內(nèi)標(biāo)后，用甲醇振蕩萃取，在選擇離子監(jiān)測(cè)模式下進(jìn)行GC/MS分析。結(jié)果表明：方法的檢出限（LOD）和定量限（LOQ）分別為0．08～3．00和0．26～10．00μg/支，加標(biāo)回收率為97．5%～110．8%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1．2%～8．5%。該方法適用于卷煙主流煙氣總粒相物中甲酸、乙酸和癸酸等14種揮發(fā)性有機(jī)酸的測(cè)定。

卷煙；主流煙氣；總粒相物；振蕩萃取；GC/MS；揮發(fā)性有機(jī)酸

揮發(fā)性有機(jī)酸，即C10以下的低級(jí)脂肪酸和部分芳香族酸，是卷煙主流煙氣中一類重要的香味成分。煙氣中的揮發(fā)性有機(jī)酸主要由煙葉本身含有的0.1%～0.2%的該類化合物在卷煙抽吸過(guò)程中直接轉(zhuǎn)移及煙葉燃吸時(shí)其他成分的高溫裂解產(chǎn)生［1-2］。揮發(fā)性有機(jī)酸不僅可賦予煙氣芳香的吸味特征，而且還可調(diào)節(jié)煙氣的柔和度，對(duì)卷煙的吸食特性有積極的貢獻(xiàn)［3］。因此，主流煙氣中揮發(fā)性有機(jī)酸的測(cè)定對(duì)卷煙的感官質(zhì)量評(píng)價(jià)具有重要意義。

有關(guān)卷煙主流煙氣中揮發(fā)性有機(jī)酸測(cè)定的研究報(bào)道相對(duì)較少，早期有柱層析法［4］；隨著現(xiàn)代分析儀器的發(fā)展，逐步建立了高效液相色譜法和毛細(xì)管電泳法［5］、離子色譜法［6］、氣相色譜法［7-8］、氣相色譜-質(zhì)譜（GC/MS）法［9-11］等。采用GC/MS法分析揮發(fā)性有機(jī)酸時(shí)，為了改善色譜分離效果，通常需要衍生化后再分析，步驟繁瑣；而離子色譜法和高效液相色譜法無(wú)需衍生，但受選擇性和靈敏度的制約。近年來(lái)，測(cè)定揮發(fā)性有機(jī)酸的新型前處理手段不斷出現(xiàn)，如集萃取、濃縮、衍生于一體的頂空液相微萃?。?2-13］和頂空固相微萃取［14-15］，但頂空液相微萃取自動(dòng)化程度不高，不易進(jìn)行批量樣品快速分析；而頂空固相微萃取則成本相對(duì)較高。為此，通過(guò)振蕩萃取，無(wú)需衍生直接進(jìn)樣，并優(yōu)化前處理?xiàng)l件，建立了GC/MS選擇離子檢測(cè)同時(shí)測(cè)定卷煙主流煙氣總粒相物中14種揮發(fā)性有機(jī)酸的方法，旨在為卷煙產(chǎn)品的開發(fā)和維護(hù)提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

卷煙樣品選自國(guó)內(nèi)卷煙企業(yè)，其類型及常規(guī)煙氣指標(biāo)如表1所示。單料煙煙葉的產(chǎn)地、部位和年份信息見(jiàn)表2，由貴陽(yáng)卷煙廠卷制。

二氯甲烷、甲醇（色譜純，天津市登科化學(xué)試劑有限公司）；丙酮（色譜純，天津市康科德科技有限公司）；甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、2-甲基丁酸、3-甲基丁酸、戊酸、3-甲基戊酸、4-甲基戊酸、己酸、庚酸、辛酸、壬酸和癸酸14種標(biāo)準(zhǔn)揮發(fā)性有機(jī)酸和乙酸苯乙酯（IS）（≥98%，美國(guó)Sigma-A ldrich公司）。

Perkin Elmer Clarus 600型氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀、Elite-5MS毛細(xì)管柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）（美國(guó)PE公司）；DB-624毛細(xì)管柱（60 m× 0.32 mm×1.8μm）、HP-INNOWAX毛細(xì)管柱（30 m×0.25mm×0.25μm）（美國(guó)Agilent公司）；RM20H轉(zhuǎn)盤型吸煙機(jī)（配有CO自動(dòng)分析儀）、44mm劍橋?yàn)V片（德國(guó)Borgwaldt公司）；AG104電子天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettler-Toledo公司）；HY-6雙層調(diào)速多用振蕩器（江蘇省榮華儀器制造有限公司）。

1.2 方法

表1 卷煙樣品類型及盒標(biāo)常規(guī)煙氣指標(biāo)（mg·支-1）

表2 單料煙煙葉的產(chǎn)地、部位和年份

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)溶液配制

準(zhǔn)確稱取約0.5g乙酸苯乙酯，精確至0.0001g，用丙酮溶解并定容于50mL的容量瓶中，得內(nèi)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液。

分別稱取不同質(zhì)量的甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、2-甲基丁酸、3-甲基丁酸、戊酸、3-甲基戊酸、4-甲基戊酸、己酸、庚酸、辛酸、壬酸、癸酸14種有機(jī)酸標(biāo)樣，稱樣量見(jiàn)表3。用丙酮溶解并定容于同一個(gè)50m L的容量瓶中，搖勻，得到混合有機(jī)酸標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液。準(zhǔn)確移取20、40、80、120、200、300μL混合有機(jī)酸標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液，分別置于6個(gè)不同的25m L容量瓶中，分別加入100μL內(nèi)標(biāo)溶液，用甲醇定容，搖勻，得到不同濃度梯度的有機(jī)酸混合標(biāo)準(zhǔn)溶液。

表3 14種有機(jī)酸的稱取質(zhì)量及混合有機(jī)酸標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液的濃度

1.2.2 樣品處理與分析

按GB/T 5606.1—2004［16］的方法挑選卷煙煙支，并于溫度（22±2）℃和相對(duì)濕度（60±5）%的條件下平衡48 h；使用20孔道轉(zhuǎn)盤吸煙機(jī)，按照GB/ T 19609—2004［17］的方法，采用ISO抽吸模式［18］抽吸卷煙。每種卷煙選10支，分為2組，每組抽吸5支卷煙，主流煙氣粒相物用1張劍橋?yàn)V片捕集；抽吸完成后，將2張劍橋?yàn)V片置于50m L錐形瓶中，添加40μL內(nèi)標(biāo)溶液于濾片上，再加10m L甲醇，振蕩30 min；取1.5mL萃取液于色譜瓶中，進(jìn)行GC/MS分析。分析條件為：

色譜柱：DB-624毛細(xì)管柱（60 m×0.32 mm× 1.8μm）；進(jìn)樣口溫度：250℃；載氣：氦氣（≥99.999%）；載氣流速：2.0 mL/min，恒流模式；分流比：10∶1；進(jìn)樣量：1μL；升溫程序：100℃（3min）；傳輸線溫度：240℃；離子源溫度230℃；四極桿溫度：150℃；溶劑延遲：4min；電離方式：EI源；電離能量：70 eV；掃描方式：全掃描（Scan）和選擇離子監(jiān)測(cè)（SIM）。14種有機(jī)酸和內(nèi)標(biāo)的保留時(shí)間和特征離子見(jiàn)表4。

采用比較保留時(shí)間、標(biāo)樣加入法定性，SIM模式下內(nèi)標(biāo)法定量。

表4 14種揮發(fā)性有機(jī)酸和IS 的保留時(shí)間和定性、定量離子

2 結(jié)果與討論

2.1 分析條件的選擇

2.1.1 色譜柱

考察了非極性的Elite-5MS（30m×0.25mm× 0.25μm）、中等極性的DB-624（60 m×0.32mm× 1.8μm）和強(qiáng)極性的HP-INNOWAX（30 m×0.25 mm×0.25μm）3種不同色譜柱對(duì)14種揮發(fā)性有機(jī)酸分離的效果，見(jiàn)圖1。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，非極性的Elite-5MS色譜柱對(duì)揮發(fā)性有機(jī)酸的分離度較差，峰形也較差；強(qiáng)極性的HP-INNOWAX色譜柱可以得到較尖銳的峰形，無(wú)需衍生，但對(duì)2-甲基丁酸和3-甲基丁酸不能完全分離；而中等極性的DB-624色譜柱可實(shí)現(xiàn)14種揮發(fā)性有機(jī)酸的完全分離，而且峰形尖銳。因此，本實(shí)驗(yàn)中選擇DB-624色譜柱，結(jié)果令人滿意，見(jiàn)圖2。

2.1.2 萃取溶劑

選用二氯甲烷、丙酮和甲醇3種溶劑進(jìn)行萃取效率的比較，120r/min條件下振蕩萃取30min，萃取效率結(jié)果見(jiàn)圖3?？芍?，由于甲酸、乙酸、丙酸等的極性較強(qiáng)，因此弱極性的二氯甲烷的萃取效率最低；甲醇的萃取效率略高于丙酮，主要是由甲醇和丙酮極性的差異所致。最終確定選擇甲醇作為萃取溶劑。

圖1 3種不同極性的色譜柱對(duì)14種揮發(fā)性有機(jī)酸分離效果的TIC圖

圖2 空白樣品（A）和實(shí)際樣品（B）的TIC圖

圖3 萃取溶劑對(duì)主流煙氣總粒相物中14種揮發(fā)性有機(jī)酸釋放量結(jié)果的影響

2.1.3 萃取時(shí)間

以甲醇為萃取溶劑，考察了不同振蕩時(shí)間（5、15、30、45、60min）對(duì)萃取效率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖4。萃取時(shí)間從5min增加到30min，揮發(fā)性有機(jī)酸的測(cè)定結(jié)果有所增加；而30min后，隨萃取時(shí)間的增加，測(cè)定結(jié)果有所減小。因此，選擇振蕩時(shí)間為30m in。

圖4 萃取時(shí)間對(duì)主流煙氣總粒相物中14種揮發(fā)性有機(jī)酸釋放量結(jié)果的影響

2.2 方法的考察

2.2.1 工作曲線、檢出限和定量限

分別對(duì)6個(gè)不同濃度揮發(fā)性有機(jī)酸混合標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行GC/MS分析，采用內(nèi)標(biāo)法定量，以揮發(fā)性有機(jī)酸與內(nèi)標(biāo)的峰面積比為縱坐標(biāo)（Y），揮發(fā)性有機(jī)酸的濃度為橫坐標(biāo)（X，μg/m L）進(jìn)行回歸分析，得到各種揮發(fā)性有機(jī)酸的回歸方程及其相關(guān)系數(shù)（r），如表5所示?？芍?，14種揮發(fā)性有機(jī)酸標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性關(guān)系良好，r在0.998 3～0.999 6之間。將最低濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液稀釋并進(jìn)行GC/MS分析，以3倍信噪比為方法的檢出限（LOD）、10倍信噪比為定量限（LOQ），得到14種揮發(fā)性有機(jī)酸的LOD和LOQ分別為0.08～3.00和0.26～10.0μg/支。說(shuō)明本方法具有較高的靈敏度，適合于定量分析。

表5 14種揮發(fā)性有機(jī)酸的工作曲線和相關(guān)系數(shù)

2.2.2 回收率和精密度

取已知卷煙主流煙氣揮發(fā)性有機(jī)酸釋放量的卷煙樣品，按照上述方法抽吸卷煙，并收集濾片，按低、中、高3種添加水平進(jìn)行加標(biāo)回收率實(shí)驗(yàn)，即分別取20、50、100μL揮發(fā)性有機(jī)酸標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液添加到捕集濾片上，每個(gè)添加水平平行測(cè)定6次，回收率和精密度結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可知，14種揮發(fā)性有機(jī)酸的平均加標(biāo)回收率為97.5%～110.8%，平均相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）在1.2%～8.5%之間，可以滿足定量需要。

表6 卷煙主流煙氣總粒相物中14種揮發(fā)性有機(jī)酸的回收率和精密度

2.3 本方法與文獻(xiàn)方法的對(duì)比分析

據(jù)文獻(xiàn)［10］報(bào)道，卷煙主流煙氣中揮發(fā)性和半揮發(fā)性有機(jī)酸的測(cè)定中，主要采用二氯甲烷超聲萃取，然后以N,O-雙（三甲硅基）三氟乙酰胺（BSTFA）為衍生化試劑進(jìn)行衍生處理，利用GC/MS（SIM）進(jìn)行定性、定量分析。為了考察本方法和文獻(xiàn)［10］報(bào)道的衍生化方法測(cè)定結(jié)果的差異，以烤煙型卷煙樣品作為檢測(cè)對(duì)象，分別使用2種方法進(jìn)行前處理和分析。對(duì)比分析2種方法的結(jié)果（表7）表明，本方法的測(cè)定結(jié)果中，大部分低沸點(diǎn)的揮發(fā)性有機(jī)酸如甲酸、乙酸、丙酸等的測(cè)定結(jié)果高于衍生化方法。這可能是由于衍生方法前處理過(guò)程較為繁瑣，導(dǎo)致低沸點(diǎn)揮發(fā)性有機(jī)酸在提取、衍生過(guò)程中損失相對(duì)較大（如甲酸、乙酸）。

表7 2種不同方法測(cè)定的主流煙氣總粒相物中14種揮發(fā)性有機(jī)酸的結(jié)果（μg·支-1）

2.4 卷煙和單料煙卷煙樣品主流煙氣總粒相物中14種揮發(fā)性有機(jī)酸的釋放量

采用本方法測(cè)定了8種不同品牌卷煙主流煙氣總粒相物中14種揮發(fā)性有機(jī)酸的釋放量（表8）、9種單料煙卷煙煙氣常規(guī)成分（表9）及其主流煙氣總粒相物中14種揮發(fā)性有機(jī)酸的釋放量（表10）。由表8可知，主流煙氣中甲酸、乙酸和丙酸3種低沸點(diǎn)的揮發(fā)性有機(jī)酸的釋放量總量占14種揮發(fā)性有機(jī)酸總量的90%左右；且同等焦油量的烤煙型卷煙主流煙氣總粒相物中14種揮發(fā)性有機(jī)酸總量高于混合型卷煙。由表9和表10可知，下部煙主流煙氣中14種揮發(fā)性有機(jī)酸總量明顯低于中部煙和上部煙，而中部煙主流煙氣中14種揮發(fā)性有機(jī)酸總量略低于上部煙。其中，同部位的單料煙卷煙樣品主流煙氣中14種揮發(fā)性有機(jī)酸總量隨著焦油量的增加而增加。

表8 不同卷煙主流煙氣總粒相物中14種揮發(fā)性有機(jī)酸的量 （μg·支-1）

表9 單料煙卷煙煙氣常規(guī)成分檢測(cè)結(jié)果 （mg·支-1）

表10 單料煙卷煙主流煙氣總粒相物中14種揮發(fā)性有機(jī)酸的量 （μg·支-1）

3 結(jié)論

建立了同時(shí)測(cè)定卷煙主流煙氣總粒相物中14種揮發(fā)性有機(jī)酸的振蕩萃取-氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用分析方法。本方法采用內(nèi)標(biāo)法定量，萃取后無(wú)需衍生直接進(jìn)樣，且操作簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確度高、分析速度快，適合于批量卷煙主流煙氣總粒相物中14種揮發(fā)性有機(jī)酸釋放量的測(cè)定。

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責(zé)任編輯 茹呈杰

Determ ination of Fourteen Volatile Organic Acids in Total Particulate Matters in Mainstream Cigarette Smoke by Shaking Extraction and Gas Chrom atography-Mass Spectrometry

JI Houwei,ZHANG Li,MAN Jie,WANG Fang,LIU Jian*,LIU Nana,and HAN Wei
Technology Center,China Tobacco Guizhou Industrial Co.,Ltd.,Guiyang 550009,China

A method combining shaking extraction with gas chromatography-mass spectrometry(GC/MS) was developed for simultaneously determ ining fourteen volatile organic acids(including formic acid,acetic acid,decanoic acid,etc)in total particulate matters(TPMs)in mainstream cigarette smoke.By using phenethyl acetate as an internal standard(IS),the TPMs cap tured by Cambridge filter pads were extracted by shaking extraction with methanol and analyzed by GC/MS under selected ions monitoring mode.The results showed that the lim its of detection and limits of quantification for the fourteen organic acids were 0.08-3.00 and 0.26-10.00μg/cig,respectively.The recoveries were 97.5%-110.8%and the relative standard deviations ranged from 1.2%to 8.5%.Thismethod is suitable for determ ining the fourteen volatile organic acids in TPMin mainstream cigarette smoke.

Cigarette;Mainstream smoke;Total particulate matter(TPM);Shaking extraction;Gas chromatography-mass spectrometry(GC/MS);Volatile organic acid

TS411.2

A

1002-0861（2015）09-0033-07

10.16135/j.issn1002-0861.20150906

2015-02-09

2015-06-10

貴州中煙工業(yè)有限責(zé)任公司科技項(xiàng)目“貴州中煙配方模塊煙氣中重要致香成分分析方法的研究”（201019）。

姬厚偉（1978—），碩士，工程師，主要從事煙用材料及煙草化學(xué)分析研究。E-mail：jihouwei@163.com；*

劉劍，E-mail：liuj1208@163.com

姬厚偉，張麗，滿杰，等.振蕩萃取-GC/MS法測(cè)定卷煙主流煙氣總粒相物中的14種揮發(fā)性有機(jī)酸［J］.煙草科技，2015，48（9）：33-39.

JI Houwei,ZHANG Li,MAN Jie,etal.Determination of fourteen volatile organic acids in total particulatematters in mainstream cigarette smoke by shaking extraction and gas chromatography-mass spectrometry［J］.Tobacco Science& Technology，2015，48（9）：33-39.