李遠(yuǎn)根，吳穹曼，寇天舒，趙 彬，張艷芳，何愛民，蘇國(guó)歲

(河北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，河北 石家莊 050051)

卷煙中揮發(fā)性成分作為決定卷煙品質(zhì)的重要因素，直接影響卷煙產(chǎn)品的吸味特征[1-4]，因此，卷煙煙絲中揮發(fā)性化學(xué)成分的測(cè)定作為判斷產(chǎn)品品質(zhì)的重要鑒別手段一直備受關(guān)注。目前，卷煙揮發(fā)性成分測(cè)定時(shí)樣品預(yù)處理的常用方法有同時(shí)蒸餾萃取[5-6]和頂空-固相微萃取法[7-8]。蒸餾萃取法重現(xiàn)性好，但長(zhǎng)時(shí)間高溫加熱會(huì)導(dǎo)致美拉德反應(yīng)和焦糖化反應(yīng)加劇，副產(chǎn)物增多[9]；固相微萃取法靈敏度高，但受單一涂層限制，易對(duì)部分目標(biāo)組分產(chǎn)生歧視效應(yīng)，重復(fù)性差[10]，且萃取纖維頭比較脆弱，易損壞。

本實(shí)驗(yàn)采用一種新型動(dòng)態(tài)頂空技術(shù)——?jiǎng)討B(tài)針捕集(Needle trap，NT)進(jìn)行樣品預(yù)處理，NT兼具靈活的主動(dòng)吸附捕集與固相微萃取的簡(jiǎn)便、快速，以及易與氣相色譜聯(lián)用的優(yōu)點(diǎn)，可單獨(dú)或分段填充不同吸附材料[11]。目前該技術(shù)在大氣、水質(zhì)分析測(cè)定中已有應(yīng)用[11-15]，但在卷煙煙絲測(cè)定方面尚未見報(bào)道。本文建立了浸入式閉路循環(huán)動(dòng)態(tài)針捕集/氣相色譜-質(zhì)譜測(cè)定卷煙煙絲中揮發(fā)性化學(xué)成分的方法，旨在為卷煙煙絲中揮發(fā)性化學(xué)成分捕集提供一種更有效的手段。

圖1 Needle trap動(dòng)態(tài)捕集針及襯管示意圖Fig.1 Schematic diagram of capture needle and liner of needle trap

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

市售卷煙。

Needle trap動(dòng)態(tài)捕集針和配套的窄徑襯管(如圖1，內(nèi)填充Carboxen1000)、針捕集采樣箱(上海新拓分析儀器科技有限公司)；SPME固相微萃取頭(PDMS/DVB，65 μm)、10 mL帶橡膠墊螺紋頂空進(jìn)樣瓶(美國(guó)Supelco公司)；Agilent 7890B/5977A氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)儀；可調(diào)精密加熱器(自制)；電子天平(感量：0.000 1 g，德國(guó)Sartorius公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1NT萃取方法NT首次使用前于250 ℃活化處理30 min。每次使用后于280 ℃凈化5 min。

取1.0 g煙絲置于頂空瓶中，壓緊瓶蓋。將頂空瓶按圖2A連接于浸入式閉路循環(huán)捕集系統(tǒng)，并放入萃取加熱器中加熱，恒流泵流速為3 mL/min，于80 ℃保持30 min，萃取完畢后于250 ℃色譜進(jìn)樣口解吸進(jìn)樣5 min。

1.2.2SPME萃取方法65 μm萃取纖維頭首次使用前于250 ℃活化處理30 min。取1.0 g煙絲置于頂空瓶中，壓緊瓶蓋，將萃取頭插入頂空瓶，于80 ℃萃取30 min，萃取完畢后于250 ℃色譜進(jìn)樣口解吸進(jìn)樣5 min。

1.3 GC-MS分析條件

色譜柱：DB-5 MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm)毛細(xì)管柱；載氣為He(純度為99.999%)；恒壓模式：70 kPa；升溫程序：40 ℃保持5 min，以3 ℃· min-1升溫至250 ℃，保持5 min；進(jìn)樣方式：不分流進(jìn)樣；進(jìn)樣口溫度：250 ℃；傳輸線溫度：250 ℃；電離方式：EI；電離能量：70 eV；離子源溫度220 ℃；四極桿溫度：160 ℃；掃描質(zhì)量范圍：33～450 amu；溶劑延遲：2 min。采用NIST標(biāo)準(zhǔn)譜庫(kù)檢索并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)定性，面積歸一化法定量。

圖2 4種提取采樣方式示意圖Fig.2 Schematic diagrams of four sampling methods

圖3 不同萃取方式萃取結(jié)果的比較Fig.3 Comparison of four sampling methods

2 結(jié)果與討論

2.1 NT萃取條件的優(yōu)化

2.1.1提取方式的選擇為使NT萃取效果達(dá)到最優(yōu)，對(duì)比了如圖2所示的4種提取方式[11]：(A)加熱密閉循環(huán)吹掃-NT，吹掃針浸入樣品；(B)加熱密閉循環(huán)吹掃-NT，吹掃針未浸入樣品；(C)加熱密閉非循環(huán)吹掃-NT；(D)將NT置于頂空中，通過頂空中目標(biāo)物的自由擴(kuò)散進(jìn)行捕集。通過對(duì)比總峰面積和化合物數(shù)量，考察了不同提取方式對(duì)提取效果的影響。結(jié)果可知，方式A的提取效果明顯優(yōu)于其它方式(圖3)。這是由于加熱并浸入吹掃樣品，加速了樣品中目標(biāo)物的逸出和固相與氣相間的質(zhì)量傳遞；強(qiáng)制密閉循環(huán)回路可使目標(biāo)組分快速、反復(fù)接觸吸附劑而被吸附劑吸附。故本實(shí)驗(yàn)采用加熱密閉循環(huán)吹掃-NT提取方式。

2.1.2解吸溫度與解吸時(shí)間的選擇解吸時(shí)間和溫度是影響分析結(jié)果的關(guān)鍵因素。本實(shí)驗(yàn)考察了不同解吸溫度(220～260 ℃)和解吸時(shí)間(2～6 min)對(duì)總峰面積的影響。結(jié)果表明，目標(biāo)物的總峰面積隨溫度升高而增大，當(dāng)溫度達(dá)250 ℃時(shí)，總峰面積趨于平穩(wěn)；而且隨解吸時(shí)間延長(zhǎng)，總峰面積增大，當(dāng)解吸時(shí)間為5 min時(shí)，總峰面積趨于平穩(wěn)。因此本實(shí)驗(yàn)選擇解吸溫度為250 ℃，解吸時(shí)間為5 min。

2.1.3吹掃流速的選擇吹掃流速是影響提取效率的重要因素[15]。本實(shí)驗(yàn)選擇煙草中4種典型的揮發(fā)性成分(芐醇、乙基麥芽酚、二氫獼猴桃內(nèi)酯和巨豆三烯酮B)進(jìn)行流速優(yōu)化。結(jié)果表明，當(dāng)吹掃流速?gòu)? mL/min增至3 mL/min時(shí)，目標(biāo)物的提取量逐步增加，而繼續(xù)提高流速，則提取量呈減少趨勢(shì)。這是因?yàn)樵贜T發(fā)生體積穿透之前，隨著流速的提高，NT對(duì)目標(biāo)物的提取量不斷增加，但氣流流速的不斷增加，會(huì)使某些目標(biāo)物不易被NT吸附而發(fā)生穿透或被二次解吸，致使提取量下降[16-17]；同時(shí)NT針內(nèi)徑細(xì)，當(dāng)線速度過大時(shí)，頂空瓶?jī)?nèi)產(chǎn)生較高的壓力可能導(dǎo)致密封隔墊泄漏而造成目標(biāo)組分損失，而且容易損壞探針[11]。因此本實(shí)驗(yàn)選擇吹掃流速為3 mL/min。

2.1.4提取溫度的選擇提取溫度是影響揮發(fā)性成分分配系數(shù)[18]的關(guān)鍵因素。本實(shí)驗(yàn)考察了提取溫度(60～90 ℃)對(duì)煙草中上述4種典型揮發(fā)性成分峰面積的影響。結(jié)果表明，隨著溫度的升高，煙絲中揮發(fā)性成分提取量的增速變緩。這是因?yàn)樵谔崛∵^程中，分配系數(shù)與溫度密切相關(guān)，升高樣品溫度，可加快目標(biāo)物在NT萃取頭上的擴(kuò)散速度，提高分析靈敏度；但溫度升高會(huì)降低目標(biāo)物在NT萃取頭的分配系數(shù)，從而減小固相吸附量。因此，選擇最佳提取溫度為80 ℃。

2.1.5提取時(shí)間的選擇考慮到NT吸附容量和揮發(fā)性成分傳質(zhì)速率等因素[19]，考察了采樣時(shí)間(10～40 min)對(duì)煙草中上述4種典型揮發(fā)性成分峰面積的影響。結(jié)果表明，隨著采集時(shí)間延長(zhǎng)，提取量增加，但采集時(shí)間超過30 min時(shí)，提取量呈下降趨勢(shì)。這可能是因?yàn)榘l(fā)生了吸附穿透以及過多的水蒸氣抑制了吸附劑對(duì)目標(biāo)組分的吸附[11]。因此，確定最佳采集時(shí)間為30 min。

2.1.6NT解吸率將解吸后的NT探針按照“1.2.1”的凈化方法(280 ℃，5 min)再次進(jìn)行解吸，分析NT中殘留的揮發(fā)性成分，計(jì)算NT解吸率(表1)。結(jié)果表明，在NT檢出的45種揮發(fā)性成分中，有40種解吸率高于95%，4種在85%～95%之間，僅有1種揮發(fā)性成分的解吸率低于85%，說明NT的解吸率較高；個(gè)別目標(biāo)物的解吸率較低，是因?yàn)镃arboxen1000內(nèi)部有許多微孔和亞微孔，出現(xiàn)不可逆吸附。

表1 煙絲中揮發(fā)性、半揮發(fā)性成分的測(cè)定結(jié)果Table 1 Determination results of volatile and semi-volatile components in tobacco

(續(xù)表1)

PeakCompoundRetentiontime/minResponsevalue(×106)NTSPMEDesorptionefficiencyofNT/%RSD(n=5)/%NTSPME103?Pyridinecarbonitrile(3?氰基吡啶)24 6092 05-100 07 6-11Ethanone，1?(1H?pyrrol?2?yl)?(2?乙?；量?26 7913 78-100 09 7-12Ethanone，1?(3?pyridinyl)?(3?乙酰基吡啶)28 8960 56-100 06 3-13Nicotinylalcohol(3?吡啶甲醇)29 2970 46-100 014 7-14Phenol(苯酚)30 086-0 77--4 615N?Methyl?2?(4?chlorophenyl)eth?2?en?2?yl?1H?benzimidazole(N?甲基?2?(4?氯苯基)?2?乙烯?2??；?1H?苯并咪唑類)30 809-0 48--7 716Ethanol，2?(2?butoxyethoxy)?(二乙二醇丁醚)31 8502 391 2592 12 18 1174H?Pyran?4?one，2?ethyl?3?hydroxy?(乙基麥芽酚)32 3750 480 4993 83 16 1183?Pyridinecarboxylicacid(煙酸)33 2891 22-100 02 2-194H?Pyran?4?one，2，3?dihydro?3，5?dihydroxy?6?methyl?(2，3?二氫?3，5?二羥基?6?甲基，4H?吡喃?4?酮)33 345-0 18--3 920Phthalicanhydride(苯酐)36 8100 33-100 02 3-21Pyridine，3?(1?methyl?2?pyrrolidinyl)?，(S)?(煙堿)37 334160 258 2498 16 57 922Triacetin(三乙酸甘油酯)37 9301 220 0891 83 78 4232?Furancarboxaldehyde，5?(hydroxymethyl)?(5?羥甲基糠醛)38 104-0 21--12 324Tricyclo[2 2 1 0(2，6)]heptane，1，3，3?trimethyl?(1，3，3?三甲基?三環(huán)[2 2 1 0(2，6)]庚烷)38 2132 92-100 06 0-251H?Pyrrole?2，5?dione，3?ethyl?4?methyl?(3?乙基?4?甲基，1H?吡咯?2，5?二酮)39 342-0 17--14 526Vanillin(香蘭素)39 6400 810 12100 01 13 2275，9?Undecadien?2?one，6，10?dimethyl?，(E)?(香葉基丙酮)41 4502 770 25100 03 74 128Hexadecane，2，6，11，15?tetramethyl?(2，6，11，15?四甲基?十六烷)41 6740 68-100 09 7-29p?Isopropenylphenol(p?異丙烯基苯酚)42 2700 95-100 01 9-301H?Pyrazole，3?methyl?1?phenyl?(3?甲基?1?苯基吡唑)43 15542 08-100 07 5-316，8?Nonadien?2?one，8?methyl?5?(1?meth?ylethyl)?，(E)?(茄酮)45 378-16 23--5 2322(4H)?Benzofuranone，5，6，7，7a?tetra?hydro?4，4，7a?trimethyl?，(R)?(二氫獼猴桃內(nèi)酯)45 5785 251 41100 09 34 2332?Buten?1?one，1?(2，6，6?trimethyl?1，3?cyclohexadien?1?yl)?，(E)?(β?大馬烯酮)45 867-0 93--2 934MegastigmatrienoneA(巨豆三烯酮A)46 4921 591 95100 05 45 835MegastigmatrienoneB(巨豆三烯酮B)47 1656 310 75100 08 03 736Hexadecane(十六烷)47 3591 59-100 010 4-37Pyridine，3?(3，4?dihydro?2H?pyrrol?5?yl)?(麥斯明)47 510-0 27--4 138Dodecane，4?methyl?(4?甲基?十二烷)47 5356 31-100 03 1-393?Methyl?4?phenylpyrazole(3?甲基?4?苯基吡唑)47 9140 79-100 02 5-403?Hydroxy?β?damascone(3?羥基?β?大馬酮)48 4031 391 01100 03 16 041MegastigmatrienoneC(巨豆三烯酮C)48 5920 980 91100 04 93 142MegastigmatrienoneD(巨豆三烯酮D)49 0346 190 48100 03 62 3433?Methylcinnamicacid(3?甲基苯乙烯酸)49 574-0 53--1 1442?Cyclohexen?1?one，4?(3?hydroxy?1?bute?nyl)?3，5，5?trimethyl?(4?(3?羥基?1?丁烯基)?3，5，5?三甲基，2?環(huán)己烯?1?酮)49 6241 913 40100 05 75 3

(續(xù)表1)

PeakCompoundRetentiontime/minResponsevalue(×106)NTSPMEDesorptionefficiencyofNT/%RSD(n=5)/%NTSPME452，3′?Dipyridyl(2，3′?聯(lián)吡啶)52 598-0 52--2 446Benzylbenzoate(苯甲酸芐酯)53 8811 490 17100 01 13 247Oxalicacid，butyl6?ethyloct?3?ylester(6?丁基草酸酯)55 099-3 44--5 4487，11，15?Trimethyl?3?methylidene?hexadec?1?ene(新植二烯)55 745278 120 95100 03 62 549Phthalicacid，isobutylpentadecylester(鄰苯二甲酸異丁基十五烷基酯)56 8181 10-100 02 4-50Aceticacid，3，7，11，15?tetramethyl?hexadecylester(3，7，11，15?四甲基，十六基乙酸酯)57 895-3 54--5 951Pentadecanoicacid，14?methyl?，methyles?ter(十五烷酸14甲基，甲基酯)58 2091 106 98100 03 07 5525，9，13?Pentadecatrien?2?one，6，10，14?trimethyl?，(E，E)?(法尼基丙酮)58 5062 98-100 01 2-53(E，E)?7，11，15?Trimethyl?3?methylene?hexadeca?1，6，10，14?tetraene(6E，10E)?(7，11，15?三甲基?3?亞甲基?1，6，10，14?十六四烯)59 3435 17-100 01 7-54Tetradecanoicacid，ethylester(肉豆蔻酸乙酯)60 0616 53-100 07 7-559，12，15?Octadecatrienoicacid，ethyles?ter，(Z，Z，Z)?(亞油酸乙酯)64 4780 301 52100 01 25 6565，9，13?Pentadecatrien?2?one，6，10，14?trimethyl(金合歡基丙酮)69 2530 270 21100 00 73 157Eicosane(二十烷)75 6510 231 66100 01 36 9

*no detected

圖4 NT捕集所得的煙絲代表性總離子流色譜圖Fig.4 Representative total ion flow chromatogram of tobacco by NT method

2.2 方法評(píng)價(jià)

2.2.1卷煙煙絲的分析結(jié)果采用NT-GC/MS對(duì)卷煙煙絲進(jìn)行分析(圖4)，各色譜峰對(duì)應(yīng)的質(zhì)譜圖經(jīng)人工解析及計(jì)算機(jī)譜庫(kù)檢索確定其化學(xué)成分，共鑒定出45種化合物。其中包含煙草中常見醇類、醛類、酮類、酯類和吡啶類等煙草本身特征性香味成分，以及煙草常用香味添加劑，表明在本文優(yōu)化的條件下，NT能有效捕集煙草中的常見揮發(fā)性香味成分，適用于卷煙煙絲中揮發(fā)性成分的捕集。

2.2.2NT與SPME的比較采用文獻(xiàn)[19]中優(yōu)化的萃取頭及萃取、解吸參數(shù)，應(yīng)用SPME法分析卷煙煙絲的揮發(fā)性成分。從NT法和SPME法對(duì)比結(jié)果(表1)可知：①采用NT法吸附共鑒定出45種化合物，與SPME法鑒定出的35種化合物相比，NT法鑒定出的化合物數(shù)量和總峰面積均高于SPME法。②采用NT法吸附，有27種物質(zhì)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)小于5%，占揮發(fā)性成分的60%；RSD 大于10%的有2種，占揮發(fā)性成分的4.44%；而采用SPME法有16種物質(zhì)的RSD小于5%，占揮發(fā)性成分的45.71%；RSD 大于10%的有2種，占揮發(fā)性成分的5.71%。因此，NT的重復(fù)性優(yōu)于SPME。③NT提取的化合物多為能夠體現(xiàn)煙草特征風(fēng)格的低沸點(diǎn)揮發(fā)性成分，而SPME提取的化合物中高沸點(diǎn)揮發(fā)性成分較NT更多，因此NT更適于煙草中揮發(fā)性半揮發(fā)性物質(zhì)的捕集。

3 結(jié) 論

本文建立了快速、簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確測(cè)定卷煙中揮發(fā)性成分的閉路循環(huán)動(dòng)態(tài)針捕集/氣相色譜-質(zhì)譜測(cè)定方法。采用內(nèi)部填充Carboxen1000的Needle trap動(dòng)態(tài)捕集針對(duì)樣品進(jìn)行萃取、富集，避免了SPME萃取法因涂層單一導(dǎo)致的歧視效應(yīng)，提高了捕集效果。方法的靈敏度高、重復(fù)性好，適用于卷煙中揮發(fā)性成分的萃取、分析。

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