应用元素分析法快速测定卷烟总氮含量的研究

(广东中烟工业有限责任公司，广州 510385)

烟草是我国重要的经济作物，烟叶含碳量和含氮量是碳代谢和氮代谢产物的集中体现。总氮含量低的卷烟吃味平淡，而含量高则有较大刺激性，燃烧时产生浓烈辛辣的烟气[1]。在合适的含氮比例下，烟叶不仅香味和吸味最优，化学成分也比较协调。因此测定烟草中的总氮含量对监控卷烟品质有重要意义[2]。

目前测定烟草中含氮量的方法有克达尔法[3，4]、凯氏定氮法[5]、近红外光谱(NIRS)、傅里叶变换近红外光谱法(FT-NIR)[6，7]、间接连续流动法[8]、电感耦合等离子发射光谱法(ICP-AES)[9，10]、纳氏试剂分光光度法[11]、连续流动分析法(CFA)[12，13]、元素分析法(EA)[14]等。常用的方法主要分两类：干烧法和湿烧法[15，16]，其代表方法为杜马法和凯氏法。

元素分析法测定总氮含量实用性高，具有推广价值，在农业、食品业、矿业、煤炭、石油化工等行业已被广泛应用[17-22]，本工作主要研究目标为，分析同一批卷烟样品采用元素分析法和连续流动分析法检测出的总氮含量数据之间的关系，建立总氮含量关系的数学模型最终达到运用元素分析法替代连续流动分析法检测总氮，进而符合国内烟草行业检测标准。

1 试验部分

1.1 样品的采集

2016～2017年卷烟样品811个，其中含一类卷烟数目占20.6%，二类卷烟占12.7%，三类卷烟占53.4%，四类卷烟占5.7%，五类卷烟占7.6%，700个卷烟样品作为建模样品，111个卷烟样品作为验证样品。

1.2 仪器与试剂

MarcoCube元素分析仪(德国Elementar公司)；BT25S电子天平(感量：0.01 mg，最大量程：21g，德国赛多利斯科学仪器有限公司)；AutoAnalyzer 3连续流动分析仪(简称：AA3，德国SEALANALYTICALGMBH公司)；消化器(VELP5600，香港嘉盛科技有限公司)

硫酸铵(纯度≥99.999%，Aldrich 公司)；磺胺(N 含量16.25 %，标准样品)；银丝(纯度≥99 %，德国Elementar 公司)；三氧化钨(纯度≥99.9%)；线状铜(纯度≥99 %)；锡箔舟(4 mm×4 mm×11mm，山西洽诺斯科技有限公司)；氦气(纯度≥99.999 %，佛山市科的气体化工有限公司)；氧气(纯度≥99.995 %，佛山市科的气体化工有限公司)。

次氯酸钠(活性氯含量≥7.50%，广州化学试剂厂)；氯化钠(纯度≥99.5%，广州化学试剂厂)；水杨酸钠(纯度≥99.5%，国药集团化学试剂有限公司)；亚硝基铁氰化钠(纯度≥99.0%，北京刘李点福利化工厂)；L-(+)-酒石酸钾钠四水化合物(纯度≥99.0%，CNW)；氢氧化钠(纯度≥96.0%，国药集团化学试剂有限公司)；硫酸(纯度≥95.0%，国药集团化学试剂有限公司)；硫酸钾(纯度≥99.0%，广州化学试剂厂)；氧化汞(纯度≥99.5 %，姜堰市环球试剂厂)；十二水合磷酸氢二钠(纯度≥99.0%，国药集团化学试剂有限公司)

1.3 试验方法

1.3.1对卷烟制品进行处理及水分测定。

按YC/T31-1996《烟草及烟制品 试样的制备和水分测定 烘箱法》[23]的方法将卷烟样品剖开，取出烟丝制备成烟末试样，并测定样品中的水分含量。

1.3.2元素分析法测定卷烟样品中的总氮含量。

称取50mg的待测样品，精确至0.01mg，用锡箔舟紧密包裹后排空放入自动进样盘中进样，其检测条件为：氦气压力设置为：0.16MPa；氦气流量：600mL/min；氧气压力设置为0.2MPa；氧气流量：60 mL/min；石英燃烧管中催化剂为纯度99.9%的三氧化钨，燃烧炉温度：1150℃；还原管中放置线状铜和银丝，还原炉温度：850℃；第1次加氧时间：50s；第2次加氧时间：100s[14]。

当每批样品进行检测前，准确称取5.00～6.00mg磺胺4个，采用元素分析仪连续测定磺胺4次，获得总氮日校正系数。每检测20次样品后应测定1～2次磺胺，用以检测系统的稳定性，并及时调整日校正系数。

校准曲线的制作：用磺胺建立仪器总氮的校准曲线(20～25个点)，该曲线通常3～6个月后需要重新绘制1次，保存于工作站中。

1.3.3 连续流动分析法测定卷烟样品中的总氮含量。

称取0.1g待测样品烟末于消化管中，精确至0.0001g，加入氧化汞0.1g，硫酸钾1.0g，浓硫酸5.0 mL。消化器条件为：150℃ 1h，370℃ 1h。消化后冷却到一定温度，加入少量的水，冷却至室温，用水定容至刻度，摇匀。采用连续流动分析仪对标准液和样品液进行总氮含量的检测[13]。

2 结果与讨论

2.1 元素分析法和连续流动分析法两种方法测定总氮的比较

元素分析法测定总氮只需要把卷烟样品磨成一定目数的粉末，然后包裹在铝箔舟中，放入元素分析仪的样品盘中即可直接测定。检测样品时间远高于称取样品的时间(样品前处理)，因此称样的时间和速度并不影响测样效率，样品按顺序放进样品孔后，把仪器设置自动运行，完成测试仪器将自动进入休眠状态。连续流动分析法测总氮的前处理时间较长，其操作步骤包括称取样品、配制试剂、样品消化和连续流动分析仪检测等步骤，过程繁琐，需要大量的酸碱、剧毒品和高温下操作等条件，其中包括硫酸和氧化汞等，存在一定危险性。在样品消化的过程中酸会挥发，具有一定刺激性气味。元素分析法的前处理过程中无需配制试剂、样品消化、样品冷却和定容等步骤，仪器分析时间明显优于连续流动分析法。此外，元素分析法节约大量试剂和人力资源的成本，自动化程度高，检测的安全系数高，工作环境无污染，已被越来越多国家[24]和专业组织机构[25-29]所采用，适合大批样品的测定，更能满足测试高峰期的测样需求[30]。为此，元素分析法相对于连续流动分析，为一种更绿色环保高效的检测方法。

连续流动分析法测定总氮并不包括硝态氮。卷烟中硝态氮含量的差异与卷烟类型[31-32]、烟叶产地[33]、调制过程[34]、配方等有一定关系。江伟等人研究[35]发现在样品硝态氮含量较高时，连续流动分析测氮法所测结果低于元素分析法，对硝态氮含量低的样品，两种方法测定结果没有显著差异。周冰群等人研究[36]发现运用元素分析法测定再造烟叶中总氮含量结果应用比值系数K(K=DN/LN)进行换算即可代替连续流动分析法结果。国内烟草行业主要采用连续流动分析法测定烟草的总氮含量，原因有三点：(1)部分烟草单位仅拥有连续流动分析仪而没有元素分析仪，因此没有开展元素分析法的条件，只能采用连续流动分析法测总氮；(2)连续流动分析法所测定的总氮指标已成为保障原料和成品烟质量稳定的重要参考；(3)在年度烟草行业能力验证等共同实验中，各单位需要在同一个水平，用同一种方法测定总氮含量数据，通过比对实验数据掌握各实验室对该方法的测试分析技术水平。

2.2 两种趋势预测方法的比较，建立相关性较好的模型

回归分析是一种统计分析方法，它可以对具有相互联系的数据，根据其关系形态，研究变量之间相关关系，建立一个合适的数学模型，用于预测和控制的作用[37]。本实验所用的两种不同的测氮法所得的数据间虽然不能找到它们之间的精确表达式，但是通过大量的总氮含量数据，可以发现它们之间存在着一定的统计规律性，建立线性回归一次表达方程为：y=0.8489x+0.1659，R2=0.8215，而多项式二次拟合表达方程为：y=0.2369x2-0.3988x+1.7971，R2=0.8292； 两种方式的表达所建立模型的相关性较为接近，采用元素分析法检测111个卷烟的总氮数据代入模型，结果(表1)显示，线性回归一次模型总氮预测值与连续流动法总氮测定值绝对值之差在5%以内的卷烟样品有69个，而二次拟合模型的数量为75个。说明二次拟合模型(图1)中元素分析法所预测的总氮值能较好地表示连续流动分析法所测的总氮指标化学值。

表1 线性一次方程和二次拟合方程两种趋势预测方法的比较

图1 元素分析法和连续流动分析法两者之间测总氮含量的相关曲线图

2.3 模型的预测效果

2.3.1模型预测的准确性

为了检验所建模型预测值的准确性，通过111个卷烟对模型进行验证实验，将卷烟样品用元素分析法测出总氮数据代入模型，预测连续流动分析法测出总氮的含量，并与连续流动分析法总氮测定值进行对比。结果(表2)显示，模型总氮预测值与连续流动分析法总氮测定值基本一致，两者相对偏差在4%以内，利用同一牌号不同批次生产的卷烟为验证样品，通过SPSS 19.0统计分析软件配对样品T检验[38]进一步验证，由(表3)数据计算求得t值，在显著性水平大于0.05时，两种方法不存在显著性差异(查ta，f值表，当显著水平a=0.05时，自由度f=6，t0.05，6=2.45)，即没有系统误差，说明所建模型的预测准确性较高，适合用于卷烟样品中连续流动分析法总氮含量的预测。

表2 111个卷烟样品中部分样品连续流动分析法总氮预测值与其化学测定值的比较 %

续表2

表3 不同价类卷烟样品连续流动分析法总氮含量与模型预测值的比较 %

2.3.2模型预测的重复性和灵敏度的比较

随机抽取5个卷烟样品，每个样品分别用两种方法各进行6次检测，结果(表4)得出通过模型算出总氮值标准偏差小于2.2%；而连续流动法测出总氮值标准偏差小于4.9%。数据表示，两种方法测定卷烟总氮的精密度高，稳定性好。相比之下，前者具有更好的稳定性。可能由于连续流动分析法在消化过程中氮元素转化成氨气造成流失，导致连续流动分析法测定总氮结果的标准偏差较大。

检出限是评价分析方法的重要指标，可用于评估检测方法的优劣[39]。采用不同含量标准物质多次检测结果，以标准偏差对含量作关系曲线，通过该曲线外推计算出方法的检出限[40，41]。利用元素分析法测定5mg的磺胺(最低标准含量)10次，用3倍测量值标准偏差对应的浓度作为检出限，用10倍测量值标准偏差对应的浓度作为定量限，得出元素分析法测总氮的检出限和定量限分别是19.14 μg和63.81μg；采用连续流动分析法对含氮量为0.8mg的硫酸铵溶液(最低标准浓度)检出10次，用3倍测量值标准偏差对应的浓度作为检出限，用10倍测量值标准偏差对应的浓度作为定量限，得出连续流动法测总氮的检出限为228.99 μg，定量限为763.32 μg，数据表明，元素分析法具有更好的灵敏度。

表4 连续流动分析法与模型预测值重复性数据的比较 %

续表4

3 结论

元素分析法是一种相对简便、快速、稳定性好、灵敏度高、试剂用量少、绿色环保的检测方法，还能通过观察仪器软件的相关参数判断吸收剂或其它耗材的使用情况并及时更换相应的填充物质，避免资源浪费，适用于快速批量测定卷烟中总氮含量。

将元素分析法与连续流动分析法测定卷烟样品中总氮含量数据进行比较，建立两种方法的关联，得到多项式二次拟合表达方程：y=0.2369x2-0.3988x+1.7971，R2=0.8292的模型公式，并对模型进行验证实验，结果表示，利用所建模型得出连续流动分析法总氮的预测结果与烟草行业标准方法的检测结果较为接近，准确度高、重复性好，该预测模型可以快速检测卷烟中的总氮含量，提高检测效率，为卷烟品质的评价提供一种新的方法，对于元素分析法广泛应用于卷烟中总氮含量的检测分析提供重要的技术依据。