卡爾費(fèi)休法快速測(cè)定加熱不燃燒再造煙葉中水分含量

李美紅，朱 婷，秦 琦，李淳皓，陳 華，楊 熙，王子權(quán)，肖 冬，師建全，劉 靜

（1.中煙施偉策（云南）再造煙葉有限公司，云南玉溪 653100；2.云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，昆明 650231）

在愈來愈嚴(yán)峻的控?zé)熜蝿?shì)下，國(guó)內(nèi)外煙草生產(chǎn)者把研究和開發(fā)下一代煙草制品和煙草替代品作為發(fā)展的重要目標(biāo)和競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)，中國(guó)在新型煙草的研發(fā)領(lǐng)域還處于起步階段，新型煙草制品在一定程度上滿足消費(fèi)者對(duì)煙堿的需求，對(duì)人體和環(huán)境的危害低，被認(rèn)為是未來煙草行業(yè)發(fā)展的熱點(diǎn)領(lǐng)域［1］。加熱不燃燒煙草是利用特殊熱源對(duì)煙絲進(jìn)行加熱（500 ℃以下甚至更低）煙絲只加熱而不燃燒的新型煙草制品，在其配方中添加1，2-丙二醇和甘油作為新型煙草煙霧發(fā)煙劑［2-5］。相對(duì)于傳統(tǒng)煙草制品來說，水分對(duì)加熱不燃燒煙草制品的影響更大，這是由于加熱不燃燒煙草制品含有大量的吸水性發(fā)煙劑，比傳統(tǒng)卷煙對(duì)水分的要求更高，水分過高、過低都會(huì)影響發(fā)煙效果、煙氣溫度、抽吸口感［6］。

煙草制品水分檢測(cè)的方法主要有烘箱法［7］、氣相色譜法［8］、近紅外光譜技術(shù)［9］和微波頻譜技術(shù)［10］等。為保證最終獲得合格產(chǎn)品，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)都要求對(duì)其生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控和測(cè)試，采用離線方式對(duì)生產(chǎn)過程中的水分進(jìn)行分析，而檢測(cè)數(shù)據(jù)的提供往往滯后于生產(chǎn)過程，難以實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的水分檢測(cè)方法為烘箱法，該方法由于烘烤時(shí)長(zhǎng)及加熱不燃燒再造煙葉中含有大量發(fā)煙劑等，因此不適用于加熱不燃燒再造煙葉中水分的測(cè)定。氣相色譜法［8］由于對(duì)環(huán)境和人員要求較高，不適用于在線快速分析；紅外測(cè)量因波長(zhǎng)短，測(cè)量深度淺，僅能檢測(cè)到表面的水分［10］，而加熱不燃燒再造煙葉表面附著大量發(fā)煙劑，因此不適用于加熱不燃燒再造煙葉的水分分析?？栙M(fèi)休法由于對(duì)水分選擇性高，廣泛用于胡椒［11］、煙用香精［12］、飼料［13］、油脂［14］和煙草制品［15］等水分的測(cè)定，國(guó)標(biāo)中卡爾費(fèi)休法測(cè)試煙草制品水分［9］，前處理?xiàng)l件萃取時(shí)間較長(zhǎng)，難以滿足加熱不燃燒再造煙葉水分快速檢測(cè)。針對(duì)加熱不燃燒再造煙葉水分測(cè)定方法，文獻(xiàn)中少有報(bào)道，基于此，本研究探索了加熱不燃燒再造煙葉水分快速測(cè)定的方法，旨在為加熱不燃燒再造煙葉水分在線監(jiān)控提供參考。

1 材料與方法

1.1 儀器、試劑與材料

儀器：V10S 容量法卡爾費(fèi)休儀（梅特勒托利多公司）；Milli-Q 超純水儀（美國(guó)MILLIPORE 公司，電阻率＞18.0 MΩ·cm）；切絲機(jī)（河南省開封捷利器材廠）；HY-8 調(diào)速多用振蕩器（金壇市友聯(lián)儀器研究所）；BSA224S-CW 電子天平（感量0.000 1 g，德國(guó)Sartorius 公司）；UF260 烘箱（德國(guó)美墨爾特有限公司）；PE680 氣相色譜儀（美國(guó)PerkinElmer 公司，配有熱導(dǎo)檢測(cè)器），微量注射器（50 μL）；單刻度移液管（5 mL），錐形瓶（150 mL）。

試劑：甲醇（色譜純，德國(guó)Merck 公司），去離子水，容量法單組份卡爾費(fèi)休試劑無吡啶，滴定度5 mg/mL（分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司）。

材料由中煙施偉策（云南）再造煙葉有限公司提供。

1.2 方法

1.2.1 預(yù)滴定 在反應(yīng)瓶中加人足量的甲醇以浸沒鉑電極末端，用卡爾費(fèi)休試劑滴定甲醇中的水分至終點(diǎn)。

1.2.2 標(biāo)定 用微量注射器吸入20 μL 水，用減量法稱重，記錄準(zhǔn)確加入滴定杯中的水重量。用卡爾費(fèi)休試劑滴定，記錄滴定耗用試劑的體積。重復(fù)滴定，2 次滴定的偏差不超過0.03 mL，計(jì)算平均滴定體積。

1.2.3 樣品處理 樣品預(yù)先切絲處理。準(zhǔn)確稱量1 g處理后的樣品，精確至0.1 mg，放入干燥好的三角瓶中。同一樣品至少制備2 個(gè)測(cè)試樣品。

準(zhǔn)確移取50 mL 甲醇萃取劑至三角瓶中，確保萃取劑浸沒樣品，并立刻上蓋密封，同時(shí)用封口膜密封。在振蕩器上振蕩萃取10 min，轉(zhuǎn)速為180 r/min。

1.2.4 滴定分析 準(zhǔn)確移取5 mL 萃取液（上層清液），迅速加人反應(yīng)瓶中滴定。記錄耗用試劑的體積。重復(fù)測(cè)定，計(jì)算水分。如果2 次測(cè)定的相差不大于質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%，取2 次測(cè)定結(jié)果的算術(shù)平均值。

1.2.5 空白試驗(yàn) 與樣品處理同步進(jìn)行，移取50 mL甲醇于150 mL 錐形瓶。用單刻度移液管從錐形瓶中移取5 mL 等份的甲醇至反應(yīng)瓶。用卡爾費(fèi)休滴定終點(diǎn)并記錄耗用試劑的體積。重復(fù)測(cè)定，如果2次測(cè)定的偏差不超過0.05 mL，取2 次滴定體積的算術(shù)平均值。

1.2.6 數(shù)據(jù)處理 試樣中煙草水分含量計(jì)算式如下（也可由儀器自帶公式進(jìn)行計(jì)算，系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)行漂移補(bǔ)償計(jì)算）。

式中，Wt為試樣中水分質(zhì)量百分?jǐn)?shù)；Vt為滴定耗用的卡爾費(fèi)休試劑體積，單位為mL；B為空白值；Va為加入反應(yīng)瓶中試樣萃取液的體積，單位為mL；E為卡爾費(fèi)休試劑的滴定度，單位為mg/mL；V為制備試樣萃取液的總體積，單位為mL；m為測(cè)試樣的重量，單位為mg。

2 結(jié)果與分析

2.1 前處理?xiàng)l件優(yōu)化

2.1.1 稱樣量穩(wěn)定性考察 考察了不同稱樣量對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響，理論滴定劑濃度為5 mg/mL，實(shí)際滴定度以標(biāo)定數(shù)值計(jì)，卡爾費(fèi)休試劑滴定管容量為5 mL，消耗滴定劑1.0～4.0 mL 比較適宜，相當(dāng)于含水量5～20 mg，加熱不燃燒再造煙葉成品中含水量通常在6.5%～13.0%，且大多數(shù)穩(wěn)定在8%～10%，因此稱樣量在0.5～2.0 g 比較適宜。本研究分別考察了0.5、1.0、2.0 g 稱樣量，結(jié)果（表1）表明，稱樣量在0.5～2.0 g 時(shí)結(jié)果均能接受，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差能滿足測(cè)試要求，綜合考慮樣品均勻性、代表性、萃取劑浸沒樣品等因素，確定稱樣量為1.0 g。

表1 不同稱樣量結(jié)果穩(wěn)定性考察

2.1.2 提取方法選擇 對(duì)比了內(nèi)部直接萃取法及外部萃取法檢測(cè)結(jié)果，內(nèi)部直接萃取法（即直接稱取固體樣品加入滴定杯中）結(jié)果不穩(wěn)定，波動(dòng)較大，樣品中的水分難以在反應(yīng)過程中完全萃取出來，且直接萃取稱樣量?jī)H0.1 g（依據(jù)滴定度反推稱樣量），樣品均勻性、代表性不夠；外部萃取法結(jié)果穩(wěn)定，考慮超聲萃取水分受熱易揮發(fā)，同時(shí)綜合考慮溶劑與被測(cè)物極性、溶解性等化學(xué)性質(zhì)，因此采用外部萃取法-甲醇常溫振搖萃取。

2.1.3 萃取時(shí)間的選擇 稱取1 g 樣品，加入50 mL無水甲醇溶液萃取，比較萃取時(shí)間為5、10、15、30 min的結(jié)果，結(jié)果見圖1，圖1 表明萃取時(shí)間為10～30 min時(shí)檢測(cè)結(jié)果較接近，萃取比較完全，綜合萃取效率及檢測(cè)時(shí)效性因素，選擇萃取10 min。

圖1 不同萃取時(shí)間的比較

2.2 線性范圍考察

由圖2 可知，在水重量為2.5～25.0 mg 時(shí)，相關(guān)系數(shù)為0.999 6，線性關(guān)系良好，卡爾費(fèi)休試劑的實(shí)際滴定度為5.511 2 mg/mL，滿足定量分析的基礎(chǔ)。

圖2 線性范圍

2.3 分析方法驗(yàn)證

對(duì)同一加熱不燃燒再造煙葉樣品稱取6 個(gè)平行樣品進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見表2。取上述加熱不燃燒再造煙葉樣品3 份，以樣品中水分含量為基準(zhǔn)，分別加入低、中、高3 個(gè)水平的水分，每個(gè)添加水平測(cè)定平行樣。加標(biāo)后的樣品分別進(jìn)行前處理和滴定分析，由樣品中原含量、加標(biāo)量和測(cè)定值計(jì)算樣品加標(biāo)回收率，結(jié)果見表3。

表2 樣品精密度試驗(yàn)

表3 樣品加標(biāo)回收率

由表2、表3 可知，水分相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.64%、加標(biāo)回收率在96.40%～102.46%，表明該方法準(zhǔn)確性高、重復(fù)性好，適用于加熱不燃燒再造煙葉中水分的定量分析。

2.4 效果驗(yàn)證

選取不同含水率區(qū)間的樣品，樣品含水率在5%～13%，樣品充分混勻，切絲，采用四分法分取樣品，取出20 g，分裝兩袋，立即密封。分別用氣相色譜法［8］和卡爾費(fèi)休法測(cè)定水分進(jìn)行驗(yàn)證對(duì)比，結(jié)果見表4，結(jié)果表明卡爾費(fèi)休法與氣相色譜法分析結(jié)果接近。根據(jù)正態(tài)性檢驗(yàn)結(jié)果（表5）顯示，試驗(yàn)組與對(duì)照組正態(tài)性檢驗(yàn)顯著性均小于0.05，數(shù)據(jù)均呈非正態(tài)分布，因此選用Fisher 精確檢驗(yàn)。根據(jù)交叉表（表6）卡方檢驗(yàn)顯示，F(xiàn)isher 精確檢驗(yàn)值為1.245，P為1.000，大于0.05，說明2 組試驗(yàn)數(shù)據(jù)間不存在顯著差異。

表4 20 個(gè)樣品檢測(cè)結(jié)果

表5 正態(tài)性檢驗(yàn)結(jié)果

表6 交叉表檢驗(yàn)結(jié)果

3 小結(jié)

本研究對(duì)樣品的前處理和檢測(cè)條件進(jìn)行了考察，建立了測(cè)定加熱不燃燒再造煙葉水分卡爾費(fèi)休法。在水重量為2.5～25.0 mg時(shí)，相關(guān)系數(shù)為0.999 6，線性關(guān)系良好，加標(biāo)回收率為96.40%～102.46%。抽取不同區(qū)間水分樣品進(jìn)行檢測(cè)，與氣相色譜法檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，2 種方法檢測(cè)結(jié)果差異不顯著。結(jié)果表明，該方法前處理簡(jiǎn)單、重復(fù)性好，檢測(cè)時(shí)間短，適用于加熱不燃燒再造煙葉生產(chǎn)線水分在線監(jiān)控。