吹掃捕集-氣相色譜/質(zhì)譜測(cè)定煙支揮發(fā)性成分

閻 瑾，鮑峰偉，牛麗娜，蘇國(guó)歲

河北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，石家莊市維明南大街1 號(hào) 050051

卷煙中的揮發(fā)性成分種類(lèi)繁多、含量分布范圍廣，在不同卷煙之間差異較大，且對(duì)產(chǎn)品感官品質(zhì)和風(fēng)格特征有重要影響［1］。隨著卷煙紙加香、成型紙加香、煙用膠加香、包裝材料加香等輔材加香技術(shù)［2-4］在卷煙生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，輔材中揮發(fā)性成分對(duì)卷煙產(chǎn)品風(fēng)格特征的影響日益受到研究人員的關(guān)注。獲取煙支揮發(fā)性成分不僅有助于了解卷煙產(chǎn)品風(fēng)格特征的形成趨勢(shì)，還可為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和加工工藝提供理論參考。為了獲取煙支揮發(fā)性成分，研究人員一般是對(duì)煙絲和各種輔材進(jìn)行分類(lèi)檢測(cè)［5-9］，該方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且獲取的數(shù)據(jù)可比性較差。吹掃捕集是一種動(dòng)態(tài)頂空富集技術(shù)，其靈敏度比靜態(tài)頂空方法高10～1 000 倍［10］，目前已在煙葉、煙絲、包裝材料、煙用香精等的分析中得到應(yīng)用［11-13］，但在煙支揮發(fā)性成分研究方面鮮見(jiàn)報(bào)道。為此，利用改造的吹掃裝置，通過(guò)條件優(yōu)化，建立用于測(cè)定煙支揮發(fā)性成分的吹掃捕集-氣相色譜/質(zhì)譜方法，旨在為煙支揮發(fā)性成分研究以及卷煙風(fēng)格特征剖析提供方法。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

38 個(gè)市售國(guó)產(chǎn)常規(guī)卷煙，其常規(guī)煙氣指標(biāo)如表1 所示。

7890B/5977A 型氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀、9800型吹掃捕集儀（配Tenax 1#捕集阱）（美國(guó)Agilent 公司）；吹掃裝置（含PID 溫控器，自制）。

1.2 方法

1.2.1 樣品制備與分析

將未拆盒包卷煙置于溫度（22±2）℃、相對(duì)濕度（60±5）%的環(huán)境中平衡7 d。打開(kāi)盒包取出1 支卷煙，迅速裝入吹掃裝置，并連接吹掃捕集儀進(jìn)行吹掃捕集-氣相色譜/質(zhì)譜分析。對(duì)于含爆珠的煙支，在裝入吹掃裝置前先捏破爆珠。吹掃捕集-氣相色譜/質(zhì)譜分析條件為：

表1 卷煙樣品盒標(biāo)常規(guī)煙氣指標(biāo)Tab.1 Labeled routine smoke indexes of cigarette samples （mg·支-1）

吹掃氣：高純氦氣（99.999%），流速45 mL/min；吹掃溫度：60 ℃；吹掃時(shí)間：60 min；干吹時(shí)間：1 min；捕集溫度：室溫；解吸溫度：190 ℃；解吸時(shí)間：1.5 min；其他條件為儀器推薦參數(shù)。色譜柱：Agilent HP-VOC 毛細(xì)管柱（60 m×320 μm×1.8 μm）；載氣：高純氦氣（99.999%），流速2.0 mL/min；進(jìn)樣口溫度：220 ℃；進(jìn)樣模式：分流進(jìn)樣，分流比10∶1；升溫程序：40 ℃保持5 min，以2 ℃/min 升溫至150 ℃并 保 持10 min，以10 ℃/min 升 溫 至265 ℃并保持5 min；離子源：EI 源；電離能量：70 eV；離子源溫度：230 ℃；傳輸線(xiàn)溫度：260 ℃；掃描模式：Scan；質(zhì)量掃描范圍：29～400 amu。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理

對(duì)譜圖進(jìn)行自動(dòng)積分，獲得各成分峰面積，并利用NIST05 標(biāo)準(zhǔn)譜庫(kù)進(jìn)行檢索定性，對(duì)匹配度大于80%的成分進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。利用EXCEL 軟件進(jìn)行離散度分析。利用OCTAVE 軟件進(jìn)行基于歐氏距離度量的層次聚類(lèi)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 吹掃裝置的改造與應(yīng)用

圖1 煙支吹掃裝置示意圖Fig.1 A schematic diagram of purge and trap device for cigarette samples

改造的吹掃裝置包括吹掃和電熱溫控兩部分，如圖1 所示。吹掃部分由石英管、氟膠圈及卡套連接件等組成；電熱溫控部分由PID 溫控器和加熱套管組成。使用時(shí)，于煙支濾嘴距煙蒂末端9 mm［14］處放置氟膠圈，將煙支置入石英管內(nèi)，石英管底端套入螺母和壓環(huán)，擰緊螺母與卡套連接件，此時(shí)氟膠圈受到石英管與卡套連接件的軸向外力擠壓，在內(nèi)倒角的約束下發(fā)生形變，從而將煙支固定并密封；加熱套管包裹在石英管外部，由PID 溫控器控制溫度并對(duì)煙支進(jìn)行加熱；石英管頂端通過(guò)外螺紋與吹掃捕集儀主機(jī)連接固定；吹掃氣經(jīng)卡套連接件從濾嘴末端進(jìn)入恒溫?zé)熤]發(fā)性成分吹出。

2.2 捕集阱及吹掃溫度的選擇

Tenax（聚2,6-二苯基對(duì)苯醚）吸附劑能夠吸附成品卷煙中的香味成分［12］，且對(duì)水、甲醇等無(wú)吸附，因此選擇Tenax 1#為本實(shí)驗(yàn)捕集阱。升高吹掃溫度可增加煙支樣品中有機(jī)物分子的擴(kuò)散速率，有利于待測(cè)組分的吹脫，從而提高吹掃效率。本研究中考察了吹掃溫度（40～70 ℃）對(duì)1#樣品揮發(fā)性成分（乙醇、乙酸、煙堿、新植二烯、丙二醇、三甘醇、三醋酸甘油酯、乙酸丙酯等高含量成分除外，下同）峰面積及峰形的影響。結(jié)果顯示，隨著吹掃溫度的升高，大多數(shù)成分的峰面積均增加，分析靈敏度明顯提高；當(dāng)溫度達(dá)到70 ℃時(shí)，部分成分的峰寬明顯增加，色譜分離度下降、譜庫(kù)檢索匹配度降低。原因可能是升高吹掃溫度導(dǎo)致美拉德反應(yīng)加劇［15］，從而導(dǎo)致副產(chǎn)物種類(lèi)增多。綜合考慮，選擇吹掃溫度60 ℃。

2.3 吹掃時(shí)間的選擇

考察了不同吹掃時(shí)間（30、40、50、60 和70 min）對(duì)1#樣品揮發(fā)性成分總峰面積和10 種代表性成分峰面積的影響。結(jié)果（圖2）顯示，代表性成分峰面積和總峰面積隨吹掃時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增大，在60～70 min 時(shí)，大部分成分的峰面積趨于穩(wěn)定或呈下降趨勢(shì)，少量成分的峰面積和總峰面積增幅變緩?？梢?jiàn)，在一定時(shí)間內(nèi)，延長(zhǎng)吹掃時(shí)間有利于提高捕集效率及方法靈敏度、精密度等，但吹掃時(shí)間過(guò)長(zhǎng)可能會(huì)導(dǎo)致部分揮發(fā)性成分二次解吸，進(jìn)而降低色譜峰信號(hào)響應(yīng)值。因此，選擇吹掃時(shí)間60 min。

圖2 吹掃時(shí)間對(duì)總峰面積（a）和代表性成分峰面積（b、c）的影響Fig.2 Effects of purge time on total peak area（a）and representative component peak area（b，c）

2.4 解吸溫度的選擇

解吸溫度是吹掃捕集的重要參數(shù)之一，影響分析方法的準(zhǔn)確性和精密度［16］?？疾炝瞬煌馕鼫囟龋?70、180、190、200 和210 ℃）對(duì)1#樣品揮發(fā)性成分總峰面積和10 種代表性成分峰面積的影響。結(jié)果（圖3）顯示，代表性成分峰面積和總峰面積隨解吸溫度的升高而逐漸增大，解吸溫度≥190 ℃時(shí)，代表性成分峰面積和總峰面積趨于穩(wěn)定。盡管提高解吸溫度能獲得較好的色譜峰形，但溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致吸附劑分解，進(jìn)而降低使用壽命。因此，選擇解吸溫度190 ℃。

2.5 吹掃流速的選擇

圖3 解吸溫度對(duì)總峰面積（a）和代表性成分峰面積（b、c）的影響Fig.3 Effects of desorption temperature on total peak area（a）and representative component peak area（b，c）

考慮到煙支規(guī)格以及揮發(fā)性成分傳質(zhì)速率、吸附穿透、二次解吸等因素，考察了不同吹掃流速（30、35、40、45 和50 mL/min）對(duì)1#樣品總峰面積和10 種代表性成分峰面積的影響。結(jié)果表明，當(dāng)吹掃流速?gòu)?0 mL/min 增加至40 mL/min 時(shí)，代表性成分峰面積和總峰面積逐步增加；當(dāng)增加至45 mL/min 時(shí)，代表性成分峰面積和總峰面積基本保持穩(wěn)定；若繼續(xù)增加吹掃流速則均呈減小趨勢(shì)，這可能是由于揮發(fā)性成分發(fā)生了吸附穿透或二次解吸，其吸附量降低所致。綜合考慮實(shí)驗(yàn)結(jié)果和儀器推薦值，選擇吹掃流速45 mL/min。

2.6 殘留分析

按照優(yōu)化后的條件交替進(jìn)行1#樣品的測(cè)定和空白實(shí)驗(yàn)，考察揮發(fā)性成分在吹掃捕集裝置中的殘留狀況，并以空白與樣品峰面積比表征成分殘留率。在1#樣品檢出的120 種成分中，102 種成分的殘留率低于2%，占成分總數(shù)的85%，16 種成分的殘留率在2%～5%之間，僅2 種成分的殘留率高于5%，表明在優(yōu)化的條件下?lián)]發(fā)性成分的殘留率整體較低；部分成分的殘留率較高可能與沸點(diǎn)較高有關(guān)。

2.7 方法精密度

按照優(yōu)化后的條件對(duì)1#樣品平行測(cè)定6 次，計(jì)算各揮發(fā)性成分峰面積的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）。結(jié)果顯示，在檢出的120 種成分中，101 種成分的RSD≤10%，其峰面積占總峰面積的88%；112 種成分的RSD≤15%，其峰面積占總峰面積的99%；僅8 種成分的RSD＞15%。綜合考慮煙支均勻性、檢出成分?jǐn)?shù)量、成分含量及性質(zhì)差異等因素可知，本方法的精密度較好，可用于常規(guī)煙支揮發(fā)性成分相對(duì)含量的分析比較。

2.8 樣品檢測(cè)結(jié)果

對(duì)38 個(gè)卷煙樣品進(jìn)行了測(cè)定，以離散度（變異系數(shù)）表征各成分在不同卷煙中的含量分布，以檢出率表征其種類(lèi)分布。結(jié)果（表2～表4）顯示：1#樣品中檢出的120 種成分占38 個(gè)樣品檢出成分總數(shù)（136 種）的88%，且10 種代表性成分的檢出率為100%，表明選擇1#樣品優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件可用于其他常規(guī)卷煙；從38 個(gè)卷煙中共檢出136 種成分，其中檢出率為100%的成分111 種，離散度≤1.0 的成分78 種，離散度≥3.0 的成分11 種。

對(duì)于離散度≤1.0 的78 種成分（表2），所有樣品均檢出。可見(jiàn)，該組成分在種類(lèi)和含量上差異較小，基本為共有成分。

對(duì)于離散度介于1.0～3.0 之間的47 種成分（表3），其平均檢出率為88%，種類(lèi)上存在一定差異，其含量差異較大。

對(duì)于離散度≥3.0 的11 種成分（表4），其平均檢出率為97%，表明該組成分種類(lèi)差異較小，但含量差異較大。

卷煙中的揮發(fā)性成分主要來(lái)源于煙草、香精香料、輔材等。煙草揮發(fā)性成分在不同卷煙中都存在，但由于原料、葉組配方、加工工藝不同，其含量存在一定差異，例如己酸、二氫獼猴桃內(nèi)酯、巨豆三烯酮含量較低，而2-甲基戊酸、茄酮、糠醛含量較高。煙用香精香料的揮發(fā)性成分在種類(lèi)和含量上都存在較大差異，例如乳酸乙酯在38 個(gè)樣品中均檢出，且含量相差不大，而5#、6#樣品中煙酸甲酯及12#、24#樣品中乙基麥芽酚的含量是其他樣品的幾十倍，由于上述卷煙分別為同一工業(yè)企業(yè)的樣品，因此屬于卷煙特征成分。煙用輔材在兼作加香載體的同時(shí)，也會(huì)引入揮發(fā)性成分，例如叔丁醇，其來(lái)源于煙用膠。

表2 離散度≤1.0 的成分Tab.2 Components with a dispersion no more than 1.0

表2（續(xù)）

表3 離散度介于1.0～3.0 的成分①Tab.3 Components with a dispersion between 1.0 and 3.0

表4 離散度≥3.0 的成分Tab.4 Components with a dispersion no less than 3.0

影響卷煙揮發(fā)性成分檢出率和離散度的因素較多，依主觀界限劃定分類(lèi)的分析方式存在一定的局限性。例如10#樣品中異戊酸異戊酯和γ-戊內(nèi)酯的含量是多數(shù)樣品的幾十倍，屬于卷煙特征成分，但二者離散度分別為2.4 和4.2，位于不同分類(lèi)區(qū)間；γ-丁內(nèi)酯的離散度＜1.0，但在由同一企業(yè)生產(chǎn)的34#、36#樣品中其含量明顯高于其他樣品。可見(jiàn)，上述結(jié)果僅能反映揮發(fā)性成分的整體變化趨勢(shì)，在進(jìn)行應(yīng)用研究時(shí)，尚需結(jié)合感官評(píng)吸手段。

聚類(lèi)分析能夠依據(jù)化學(xué)成分差異實(shí)現(xiàn)不同樣品的分類(lèi)，能夠較全面反映樣品相似程度［17］。本研究中采用基于歐氏距離度量的層次聚類(lèi)法，對(duì)38 個(gè)樣品中檢出的136 種成分進(jìn)行了聚類(lèi)分析。結(jié)果（圖4）顯示：2#與3#、5#與6#、12#與24#、30#與32#各聚為一類(lèi)，該結(jié)果也與其品牌和生產(chǎn)企業(yè)相對(duì)應(yīng)；8#、9#、10#、13#、34#及38#與其他樣品之間的差異較大，表明這些樣品在葉組、香精香料和輔材使用上具有明顯的特色。

圖4 38 個(gè)卷煙揮發(fā)性成分?jǐn)?shù)據(jù)的聚類(lèi)結(jié)果Fig.4 Cluster results of volatile components in 38 cigarettes

3 結(jié)論

①采用改造的吹掃裝置，通過(guò)優(yōu)化吹掃捕集條件，建立了測(cè)定煙支揮發(fā)性成分的吹掃捕集-氣相色譜/質(zhì)譜方法。②在優(yōu)化的吹掃捕集條件下，從1#卷煙樣品中檢出120 種揮發(fā)性成分，其中101種成分的RSD≤10%，占總峰面積的88%，表明方法精密度較高，適用于常規(guī)卷煙煙支揮發(fā)性成分相對(duì)含量的比較。③應(yīng)用本方法對(duì)不同卷煙樣品進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)合離散度分析可以一定程度上反映揮發(fā)性成分對(duì)卷煙風(fēng)格質(zhì)量的影響。④聚類(lèi)分析顯示，部分源于同一企業(yè)的樣品較為相似，少數(shù)樣品在葉組、香精香料和輔材使用方面具有明顯的自身特色。