離子色譜在煙草化學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景

王東翔 鄭秀瑾

摘? 要：本文綜述了離子色譜技術(shù)在煙草化學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)展，以煙草化學(xué)成分、煙氣化學(xué)成分、煙用材料、新型煙草制品為主要對象，對其無機(jī)陰離子、無機(jī)陽離子、有機(jī)酸、有機(jī)胺、糖類、醇類、氨基酸等多種物質(zhì)的離子色譜檢測技術(shù)進(jìn)行匯總分析，并對應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。旨在使人們了解離子色譜法在煙草檢測中的重要性，為國內(nèi)煙草制品的研制、成分監(jiān)控和質(zhì)量控制提供參考。

關(guān)鍵詞：離子色譜;煙草;煙氣;煙用材料;新型煙草制品

Abstract： The application progress of ion chromatography （IC） in tobacco chemistry is reviewed in this paper. Based on the analysis of tobacco chemical compositions， cigarette smoke chemical compositions， cigarette materials and novel tobacco products， the IC technology involved in detection of multiple substances， such as inorganic anions， inorganic cations， organic acids， organic amines， sugars， alcohols and amino acids is investigated， and the application prospect is discussed. The purposes of this paper are to help people in understanding the importance of IC in tobacco chemical detection， and to provide useful information for tobacco analysis researchers. Furthermore， it can also provide reference for the development， component monitoring and quality control of domestic tobacco products.

Keywords： ion chromatography; tobacco; cigarette smoke; cigarette materials; novel tobacco products

離子色譜（Ion Chromatography，IC）是高效液相色譜的一種，由SMALL等于1975年首次提出，是利用被測物質(zhì)的離子性進(jìn)行分離和檢測的液相色譜方法[1]。該方法根據(jù)檢測器的不同，可以用于檢測不同類型的帶電分子。電導(dǎo)檢測器可用于檢測無機(jī)陰離子、無機(jī)陽離子、有機(jī)酸、有機(jī)胺等物質(zhì);安培檢測器可以檢測I?、S2?、CN?、糖類、氨基酸等具有電化學(xué)活性的物質(zhì);紫外-可見檢測器可以檢測NO3?、煙堿等物質(zhì)。同時(shí)IC可與MS、ICP-MS聯(lián)用，實(shí)現(xiàn)元素的價(jià)態(tài)分析、農(nóng)殘分析等。

IC具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）簡單快速，利用快速離子色譜柱，可將常規(guī)無機(jī)陰陽離子的分析時(shí)間控制在10 min以內(nèi);（2）靈敏度高，待測物的分析濃度一般在mg/L至μg/L范圍，而IC-MS聯(lián)用技術(shù)的檢出限更低，在ng/L級別;（3）選擇性好，對非離子物質(zhì)不保留;（4）同時(shí)分析多種離子化合物，大大地縮短實(shí)驗(yàn)周期。因此被廣泛應(yīng)用于環(huán)境、食品、醫(yī)藥、礦產(chǎn)、化工等各個(gè)領(lǐng)域。

近年來，隨著固定相和檢測技術(shù)的不斷革新，尤其是國內(nèi)離子色譜技術(shù)的快速發(fā)展，IC的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。IC作為煙草化學(xué)的重要分析技術(shù)之一，可用于檢測煙草、煙氣、煙用材料、新型煙草制品中的陰陽離子、有機(jī)酸、糖類、醇類、氨基酸等多種成分，為國內(nèi)煙草制品的研制、成分監(jiān)控和質(zhì)量控制提供參考。

1? 煙草化學(xué)成分分析

1.1? 無機(jī)陰離子

常規(guī)無機(jī)陰離子F?、Cl?、NO2?、NO3?、PO43?、SO42?對煙草生理及煙草制品的品質(zhì)有很大影響，其中含氮化合物會影響卷煙的香氣和吸味，氯和硫?qū)θ紵胸?fù)面影響。IC可同時(shí)檢測煙葉中多種陰離子的含量，對于了解煙葉的生理性狀及品質(zhì)具有重要作用。王金平[2]采用堿性淋洗液超聲提取煙草樣品，NJ-SA-4A324型陰離子色譜柱同時(shí)測定6種無機(jī)陰離子，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差在0.14%～0.57%之間。張霞等[3]采用60 ℃超聲水提取煙草樣品，IonPac AS11-HC型陰離子色譜柱同時(shí)測定Cl?、NO3?、PO43?、SO42?，測定結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差在0.73%～2.56%之間。兩項(xiàng)研究分別選用堿性溶液和60 ℃高溫法超聲提取煙草樣品，均可以改變細(xì)胞壁通透性，以充分提取煙草中陰離子。

1.2? 無機(jī)陽離子

常規(guī)無機(jī)陽離子Na+、K+、Mg2+、Ca2+和NH4+是煙草生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素。通常認(rèn)為足夠的Na+、K+可增加煙葉的鮮質(zhì)量和干質(zhì)量[4];Mg2+、Ca2+會直接影響煙灰的顏色;NH4+可明顯影響卷煙的吸味。采用IC測定煙草中無機(jī)陽離子，常用的樣品前處理方法有高溫灰化法、消解法和萃取液萃取法。但高溫灰化法會導(dǎo)致NH4+損失;消解法需要用酸堿消化樣品，導(dǎo)致待測樣品背景值高。李國政等[5]采用0.05 mol/L鹽酸萃取煙葉中陽離子，IonPac CS12A型陽離子色譜柱同時(shí)測定再造煙葉原料和主要加工工序中Na+、K+、Mg2+、Ca2+和NH4+的含量，結(jié)果表明，與煙末和外纖相比，煙梗中陽離子總量最多，洗梗、浸梗工序能去除大量的陽離子，而涂布工序的涂布液能有效控制再造煙葉成品的陽離子總量，該研究可為再造煙葉的生產(chǎn)工藝提供依據(jù)。張建鐸等[6]簡化了鹽酸萃取煙葉的前處理法，改進(jìn)了樣品萃取瓶，在同一個(gè)萃取瓶中實(shí)現(xiàn)樣品的萃取、凈化和過濾，建立了以固相萃取離子色譜法快速測定煙草中5種陽離子的方法。

1.3? 有機(jī)酸

煙葉中的有機(jī)酸是煙草生命代謝的中間產(chǎn)物，是煙草香味的主要成分。煙葉中通常含有甲酸、乙酸、丙酸、蘋果酸、草酸和檸檬酸等有機(jī)酸，常用分析方法是將其酯化后進(jìn)行氣相色譜檢測，但操作比較麻煩且準(zhǔn)確性受到酯化程度的影響，或用液質(zhì)聯(lián)用（LC-MS）直接測定，則無法分離草酸和乙酸[7]。胡靜等[8]采用超聲浸提，IonPac AS11-HC型陰離子色譜柱，KOH溶液梯度洗脫，分離測定了煙草中甲酸、乙酸、乳酸、丙酸、丁酸、蘋果酸、丙二酸、草酸和檸檬酸，結(jié)果表明煙草樣品中蘋果酸與檸檬酸的含量明顯高于其他有機(jī)酸。張霞等[3]利用IC測定不同種類煙草樣品中的甲酸、乙酸、蘋果酸、草酸、檸檬酸，以有機(jī)酸含量為變量對煙絲樣品進(jìn)行了聚類分析，結(jié)果表明以蘋果酸、檸檬酸、草酸等非揮發(fā)性有機(jī)酸含量來比較，白肋煙>香料煙>烤煙;以甲酸、乙酸等揮發(fā)性酸含量比較，香料煙>烤煙>白肋煙。

1.4? 糖類和醇類

糖類是煙草的重要成分，影響煙草的生長發(fā)育;煙草中多元醇能保持煙葉水分，減少生產(chǎn)過程中的造碎，改善香味。煙草中糖類的常用分析方法有近紅外分光光度法、氣相色譜法、液相色譜法等，醇類的測定方法包括滴定法、比重法、旋光度法等，而IC可同時(shí)檢測糖類和醇類。葉艷青等[9]采用基質(zhì)固相分散法萃取煙草中糖類和醇類，CarboPac MA1型陰離子色譜柱分離，脈沖安培檢測器檢測煙草中丙二醇、丙三醇、木糖醇、山梨醇、葡萄糖、果糖、蔗糖、麥芽糖和半乳糖，9種成分能在50 min內(nèi)分離，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差在1.5%～3.0%之間。姜振玲等[10]采用超聲提取，Metrosep Carb 1型陰離子色譜柱分離，同時(shí)測定了煙草中的鼠李糖、葡萄糖、木糖、果糖、蔗糖和麥芽糖，并對烤煙煙葉上中下3部位中6種糖含量進(jìn)行了分析對比。結(jié)果表明，葡萄糖、果糖含量比其他糖類高，烤煙中部6種糖含量高于上、下部位。一般情況下烤煙以腰葉、上二棚部位質(zhì)量最好，可以推論出糖的含量可能影響烤煙品質(zhì)。

1.5? 氨基酸

氨基酸是煙草的香味成分之一，其含量高低直接影響煙草的味道和煙氣的豐滿度。氨基酸常用檢測方法有離子交換色譜法（IEC）、高效液相色譜法、氣相色譜法等，這些方法均需要將氨基酸進(jìn)行柱前或柱后衍生，然后用光學(xué)檢測器測定。而離子色譜-安培檢測法可直接測定氨基酸，無需衍生。于宏曉等[11]采用AminoPac PA10型陰離子色譜柱，積分脈沖安培器測定了烤煙、白肋煙、香料煙等單料煙和國內(nèi)外烤煙型、混合型卷煙中18種游離氨基酸的含量。結(jié)果表明，白肋煙的游離氨基酸總量最高，混合型卷煙的游離氨基酸總量高于烤煙型卷煙。

2? 煙氣化學(xué)成分分析

煙氣是煙草燃燒時(shí)形成的一種帶有懸浮微粒的氣溶膠。抽吸時(shí)從卷煙濾嘴端吸出的煙氣稱為主流煙氣，抽吸間隙從燃燒端釋放出來和透過卷煙紙擴(kuò)散直接進(jìn)入環(huán)境的煙氣稱為側(cè)流煙氣。卷煙煙氣中組分眾多，大致可分為兩類：一類是致香組分或致香先驅(qū)體[12]，例如脂肪烴、芳香烴、萜類化合物、羰基化合物、酚類化合物、有機(jī)酸、氮雜環(huán)化合物等;另一類為有害成分，例如胺類、煙堿、重金屬等。IC可用于檢測煙氣中的羰基化合物、有機(jī)酸、胺類、煙堿、金屬元素等物質(zhì)。

2.1? 糖類和糖醇類

煙氣中的糖和糖醇含量較低，且大部分易被氧化或熱解為其他物質(zhì)，因此在測定時(shí)需要直接、快速、準(zhǔn)確。氣相色譜需要將待測物衍生為揮發(fā)性物質(zhì)，前處理復(fù)雜且影響準(zhǔn)確性;液相色譜雖然經(jīng)常用于糖類的測定，但靈敏度不高，不適合檢測微量的糖。黃翼飛等[13]以離子色譜-脈沖安培法準(zhǔn)確測定了主流煙氣中葡萄糖、果糖、甘露糖、木糖、半乳糖和阿拉伯糖，方法檢出限在10 μg/L以下。王靜等[14]采用IC測定煙絲與主流煙氣中的肌醇、赤蘚糖醇、木糖醇、阿拉伯糖醇、山梨醇和甘露糖醇，研究了6種糖醇在燃燒過程中的轉(zhuǎn)移率。

2.2? 氨和小分子有機(jī)胺

煙氣中所含的氨會提高“煙霧pH”，將一部分總煙堿轉(zhuǎn)化為游離煙堿，進(jìn)而影響卷煙的感官品質(zhì)，加強(qiáng)吸煙者對煙堿的依賴性[15]。WATSON等[16]采用IC測定主流煙氣氣相和顆粒相中氨的含量，以確定總氨輸送量，結(jié)果表明煙絲和煙氣中氨含量存在很大差異。沈曉晨等[17]以IC分析了主流煙氣中有害成分氨與甲醛、乙醛、丙酮、丙烯醛、丙醛、巴豆醛和2-丁酮7種揮發(fā)性羰基化合物的偏相關(guān)性。同時(shí)對現(xiàn)行檢測方法YC/T 377—2010進(jìn)行了改進(jìn)，利用改良的萃取液（甲醛和鹽酸混合溶液，甲醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%，鹽酸濃度為100 mmol/L）較好地解決了待測液中氨檢測結(jié)果隨時(shí)間不斷升高的問題，提高了批量樣品檢測氨的準(zhǔn)確性和效率。

卷煙抽吸時(shí)生物堿發(fā)生熱解會產(chǎn)生甲胺和乙胺等有毒物質(zhì)。劉偉等[18]建立了卷煙側(cè)流煙氣中甲胺和乙胺的稀鹽酸溶液吸收-離子色譜檢測方法。該方法測定10種卷煙樣品側(cè)流煙氣中甲胺和乙胺的釋放量，確定側(cè)流煙氣中甲胺釋放量高于乙胺，混合型卷煙側(cè)流煙氣中甲胺和乙胺釋放量高于烤煙型卷煙。

2.3? 煙堿

煙草中已知的生物堿有近50種，其中煙堿（尼古丁）含量最高，約占生物堿總量的95%以上。李力等[19]建立了一種以免試劑離子色譜-紫外檢測器檢測卷煙主流煙氣顆粒相中煙堿的分析方法，利用IonPac CS19型陽離子交換柱，可分離煙草中新煙草堿、去甲基煙堿和煙堿。相比GB/T 23355—2009氣相法只能測定3種生物堿的總物含量，該方法提高了分析精度，可滿足煙堿定量分析要求。

3? 煙用材料分析

煙用材料指除煙絲之外，加工卷煙或包裝卷煙過程中所用的各種材料，包括卷煙用紙、煙用絲束、煙用濾棒、煙用包裝材料、煙用膠黏劑、濾棒增塑劑、濾棒潤滑劑、煙草添加劑、煙用印刷油墨等九大類。

卷煙紙是卷煙的主要輔料之一，采用的原料主要有纖維、填料及助燃劑（有機(jī)酸鉀鹽或鈉鹽）等。卷煙紙由于參與煙支的燃燒，故其理化特性對煙支的燃燒性、吸味和煙氣中有害成分含量等有直接影響。張優(yōu)茂等[20]采用IonPac AS11-HC型陰離子色譜柱，NaOH溶液梯度洗脫法分離測定7種卷煙紙樣品中乙酸根、蘋果酸根、磷酸根、檸檬酸根助劑的含量;王予等[21]采用IonPac AS19型陰離子色譜柱，KOH溶液梯度洗脫法分離測定5種卷煙紙樣品中乳酸根、乙酸根、甲酸根、氯離子、磷酸根和檸檬酸根助劑的含量。結(jié)果表明，不同卷煙紙中酸根助劑的種類及含量差別大，助劑的含量和配比的不同對卷煙紙的透氣度具有一定的影響。

接裝紙?jiān)诰頍熚尺^程中直接接觸口腔，其食品安全性影響吸煙者的身體健康。六價(jià)鉻是紙質(zhì)包裝材料中的一種外源性重金屬污染物，具有劇毒、高致癌、致生物突變作用。張鼎方等[22]采用IC-ICP-MS聯(lián)用技術(shù)分離檢測接裝紙中Cr（Ⅵ），檢出限為0.95 μg/kg，遠(yuǎn)低于流動注射、流動分析、原子光譜等方法。

煙草香精香料是煙草加工過程中重要的添加劑，主要成分是糖類、醇類、氨基酸和蛋白質(zhì)等，可起到改善卷煙吸味、保持煙絲水分等效果，因此 香精香料的品質(zhì)也影響卷煙產(chǎn)品的整體品質(zhì)。王文元等[23]采用IC測定了30個(gè)煙用香精香料樣品中的NO2?和NO3?含量，結(jié)果表明煙用香精香料中NO2?和NO3?均符合食品衛(wèi)生限量要求。劉欣等[24]、孔維松等[25]分別用水蒸氣蒸餾-離子色譜法和石墨化炭黑固相萃取凈化-離子色譜法測定浸膏類香料中硫化氫含量，確定了硫化氫的含量可作為辨別煙草浸膏變質(zhì)的重要指標(biāo)。章雪鋒等[26]采用IC測定香精中陽離子，并與相對密度、折光指數(shù)、感官評價(jià)等方法比較，確定IC結(jié)合方差分析法更適用于卷煙工業(yè)中香精調(diào)配均勻性的評價(jià)。唐坤甜等[27]采用了CarboPac MA1型陰離子交換柱，脈沖安培檢測法測定香料中的肌醇、甘油、丙二醇、半乳糖醇、木糖醇、山梨醇、甘露醇、葡萄糖、果糖、蔗糖、甘露糖和半乳糖等12種化合物，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差在0.7%～4.3%之間。

4? 新型煙草制品分析

新型煙草制品是相對傳統(tǒng)燃吸式煙草制品而言，分為無煙氣煙草制品（口含煙和鼻煙）、加熱不燃燒煙草制品（HNB）和電子煙等類型[28]。IC作為煙草、煙氣、煙用材料的重要分析技術(shù)之一，同樣可用于新型煙草制品中無機(jī)陰陽離子、有機(jī)酸、有機(jī)胺、煙堿、糖類、醇類等物質(zhì)分析。

口含煙和HNB一般以煙草薄片為主要煙草原料，電子煙液通常以煙草提取物、丙二醇、丙三醇、煙用香精、煙堿等為主要配方。張蓉等[29]采用了CarboPac MA1型陰離子色譜柱，積分脈沖安培檢測器測定煙草薄片中4種糖成分（葡萄糖、半乳糖、果糖和蔗糖）和5種保潤成分（丙二醇、丙三醇、木糖醇、山梨醇和甘露醇）。肖衛(wèi)強(qiáng)等[30]建立了IonPac CS16A型陽離子色譜柱分離測定電子煙液中氨含量的方法。DUELL等[31]采用離子色譜法測定添加三氯蔗糖的電子煙氣溶膠中氯化物的含量，結(jié)果表明，盡管三氯蔗糖具有高甜度、無熱量、安全無毒等特點(diǎn)，但會導(dǎo)致蒸發(fā)的電子煙液體產(chǎn)生有害的氯化物，危害人體健康。

5? 展? 望

近年來，隨著前處理方法的不斷優(yōu)化，新型多功能色譜柱的開發(fā)，多種檢測器聯(lián)用技術(shù)的探索，IC在煙草檢測及生產(chǎn)相關(guān)工藝中的應(yīng)用不斷拓展。同時(shí)煙草行業(yè)的新產(chǎn)品、新工藝、新需求也推動著IC的技術(shù)進(jìn)步。

今后，IC在煙草化學(xué)中的應(yīng)用將會涉及以下幾個(gè)方面：植煙環(huán)境包括水源、土壤中營養(yǎng)元素和有害化學(xué)物質(zhì)的分析溯源，煙株中重要離子的吸收與積累分析;復(fù)烤煙葉、制絲工藝中加濕水汽的組分分析;卷煙膠黏劑、印刷油墨的組分分析;卷煙爆珠中液體香料和著色劑的測定;HNB新型煙草制品的組分分析。

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