烤煙主流煙氣中氫氰酸釋放量的差異性及主要影響因素分析

蒯 雁，杜詠梅，張懷寶*，侯小東，荊聰瑩，李小琴，李丹丹

（1.中國農業科學院煙草研究所，青島 266101；2.中國農業科學院研究生院，北京 100081）

卷煙主流煙氣中氫氰酸是煙葉中相關化學成分在700～1000 ℃燃燒時的裂解產物[1]。雖然釋放量低，但其是霍夫曼有害清單中最具纖毛毒性的物質，國際癌癥研究機構把氫氰酸列為卷煙煙氣中最具毒性物質之一，2009年被列為我國卷煙主流煙氣中最具代表性的七項有害成分之一[2-4]。隨著我國加入《國際煙草框架公約》，吸煙與健康問題日益成為社會關注的焦點[5]。為此，除了對煙氣中常規成分煙堿、焦油、CO的研究外，一些毒性大的微量有害成分日益受到重視，主流煙氣中氫氰酸的研究也得到逐步地深入。

前人的研究表明[6-7]，煙葉中含氮化合物通過熱裂解方式生成氫氰酸，胡立中等[8]通過向卷煙煙支添加5種特定的含氮化合物，測定了對應主流煙氣中氫氰酸釋放量的變化，蛋白質、氨基酸、揮發堿、硝酸鹽、氮雜環等5類化合物是卷煙主流煙氣中氫氰酸的重要前體物質。王晶等[9]研究了煙葉中游離氨基酸與主流煙氣中氫氰酸釋放量的關系，找出了對氫氰酸釋放量具有主要影響的氨基酸，并且建立了游離氨基酸對氫氰酸釋放量的預測模型。郝菊芳等[10]研究了氫氰酸機理與甘氨酸裂解行為的關系，表明當裂解溫度高于300 ℃，甘氨酸會大量裂解產生氫氰酸。黃朝章等[11]進一步研究煙葉中總糖、總氮、還原糖、煙堿、鉀和氯等化學成分與單料卷煙主流煙氣中氫氰酸的相關性，得到了氫氰酸釋放量和煙葉中常規化學成分的簡單相關結論。

本研究考慮到在煙支燃吸過程煙葉中化學成分相互作用，并且煙葉化學物質燃燒生成復雜的煙氣成分之間會發生相互協同和拮抗，均影響主流煙氣中氫氰酸的形成和釋放量。因此選擇了我國主產區代表煙葉樣品，分析不同產區、不同部位煙葉卷煙主流煙氣中氫氰酸釋放量差異，研究煙葉中化學成分對卷煙主流煙氣中氫氰酸釋放量的影響，并且通過逐步回歸分析，規避化學成分之間多重共線性的影響[12]，建立了卷煙主流煙氣中氫氰酸釋放量的預測模型。為生產上通過應用農藝措施，協調煙葉化學成分，降低主流煙氣中氫氰酸釋放量，并用化學指標預測主流煙氣中氫氰酸釋放量，科學地評價煙葉原料安全性，提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 樣品的收集與處理

1.1.1 樣品的收集 選取了我國主產煙區 2010、2011兩年烤煙煙葉樣品，共計244份。每一產區選擇代表性1～2產煙縣作為試驗樣品，每個產煙縣選取 6～12個代表鄉鎮，每一鄉鎮取大貨收購點上、中、下三個部位具有代表性的 B2F、C3F、C3L、X2F等級的煙葉樣品8～10 份，每份10 kg。

1.1.2 樣品的處理 將選取的同一產煙縣的代表性煙葉按照相同等級混合，去煙筋，切絲，卷制成煙支。卷煙圓周24.5 mm，長84 mm。選取平均重量（0.90±0.01）g 和平均吸阻（1000±50）Pa的煙支為合格煙支。并取200 g煙絲研磨成煙末，測定煙葉中化學成分。

1.2 試驗方法

1.2.1 主流煙氣中氫氰酸的測定 測定氫氰酸釋放量的前處理方法：使用兩張劍橋濾片（一張為NaOH處理的2.0 mL，1 mol/L的NaOH乙醇水溶液，乙醇水體積比為1∶1，一張為空白）按照ISO4387標準進行抽吸，捕集煙氣。100 mL，0.1 mol/L的NaOH溶液萃取濾片，振搖30 min，0.45 μm濾膜過濾，連續流動儀進行氫氰酸的定量分析，連續流動分析儀分析參數參考 YC/T 253—2008[13]測定方法。

1.2.2 煙葉中化學成分的測定 分別按照 YC/T 159—2002、YC/T 35—1996、YC/T 160—2002、YC/T 161—2002、YC/T 245—2008、YC/T 162—2002、YC/T 217—2007、YC/T 176—2003、YC/T 282—2009和YC/T 288—2009等方法測定煙葉中水溶性總糖、還原糖、揮發堿、總植物堿、總氮、氨、氯、鉀、石油醚提取物、游離氨基酸以及有機酸含量。

2 結 果

2.1 煙葉主流煙氣氫氰酸釋放量

樣品中氫氰酸釋放量范圍117.2～226.6 μg/g，平均171.1 μg/g。變異系數達到26.5%。由表1看出，不同產區煙葉卷制的單料卷煙主流煙氣中氫氰酸的釋放量差異較大，且均達到顯著水平。在同一部位下，黃淮煙區煙葉卷煙氫氰酸釋放量極顯著高于其他產區；東南煙區煙葉卷煙氫氰酸釋放量僅次于黃淮煙區，高于其余3個煙區；長江中上游煙區煙葉卷煙氫氰酸釋放量基本居中間水平；西南煙區和東北煙區氫氰酸釋放量則相對較低，并且低于平均釋放量。另外，發現各產區同一部位煙葉氫氰酸釋放量的分布基本相同。

從表1還可以看出，同一產區，不同部位煙葉單料卷煙主流煙氣中氫氰酸釋放量存在極顯著或顯著差異，說明主流煙氣中氫氰酸的釋放量受部位影響大。隨著部位的下降，主流煙氣中氫氰酸釋放量依次降低，上部葉最高，中部葉次之，下部葉最低。

表1 不同產區、不同部位煙葉卷煙氫氰酸的釋放量 μg/gTable1 The release of hydrocyanic acid from different areas and stem positions

2.2 煙葉化學成分對主流煙氣中氫氰酸釋放量的影響

通過對中部葉的化學成分和主流煙氣中氫氰酸釋放量的數據分析，忽略部位間差異的影響，找出煙葉中化學成分對主流煙氣中氫氰酸釋放量的影響。利用SAS 9.2、DPS分析軟件進行了簡單相關分析、多元逐步回歸分析以及通徑分析。

2.2.1 煙葉中化學成分和主流煙氣中氫氰酸釋放量的相關分析 相關性結果表明（表2）：①主流煙氣中氫氰酸釋放量與煙葉中總植物堿、揮發堿、總氮、氨、酸性氨基酸、堿性氨基酸以及丙二酸呈極顯著性正相關，與煙葉中氯、脯氨酸表現顯著性正相關。表明煙葉中含氮類物質、氯以及丙二酸含量增加，主流煙氣中氫氰酸釋放量增加；②主流煙氣中氫氰酸釋放量與煙葉中總糖與還原糖均呈極顯著性負相關，與糖堿比、鉀氯比呈顯著性負相關，表明含糖量高，燃燒性好的煙葉，主流煙氣中氫氰酸釋放量反之降低；③主流煙氣中氫氰酸釋放量與煙葉中草酸、蘋果酸以及醚提物相關性不明顯。

可見，主流煙氣中氫氰酸的釋放量和煙葉中化學成分存在密切的相關關系，氫氰酸的釋放量受到多種化學成分的影響。

表2 煙葉中化學成分和主流煙氣中氫氰酸釋放量的簡單相關系數Table2 Correlation coefficients of the chemical components and the release amounts of the hydrogen cyanide in mainstream cigarette smoke

2.2.2 煙葉化學成分和主流煙氣中氫氰酸釋放量的回歸分析 對煙葉化學成分與主流煙氣中氫氰酸釋放量進行逐步回歸分析，獲得了回歸方程：Y=-40.77+16.72X1+37.82X2+806.94X3+13.82X4-47.69 X5，其中，Y—主流煙氣中氫氰酸釋放量，X1—總植物堿，X2—總氮，X3—氨，X4—氯，X5—脯氨酸。對回歸方程進行F檢驗和對方程系數進行t檢驗，結果表明所選回歸數學模型達到顯著性水平（回歸方程的F值=12.2，P = 0.000＜ 0.05），回歸方程系數的顯著性也均小于0.05，說明自變量X與因變量Y存在線性回歸關系，此回歸模型及所有系數都具有統計學意義。決定系數 R2=0.613*，說明當前回歸方程能夠解釋61.3%的因變量變化。但是準確預測主流煙氣中氫氰酸釋放量仍需綜合其他因子進一步的分析。

2.2.3 煙葉中化學成分和主流煙氣中氫氰酸釋放量的通徑分析 在多元逐步回歸分析的基礎上，分析總植物堿、總氮、氨、氯、脯氨酸對主流煙氣中氫氰酸釋放量的直接作用和間接作用大小。通徑系數表示以上5個化學成分與主流煙氣中氫氰酸釋放量的關系。結果表明（表3），對主流煙氣中氫氰酸釋放量的直接作用表現為：總氮＞總植物堿＞脯氨酸＞氨＞氯。其中總氮主要是直接影響氫氰酸釋放量；總植物堿和氨直接作用大于間接作用，總植物堿主要通過總氮產生間接作用，氨主要通過總氮和脯氨酸產生間接作用；脯氨酸產生直接作用為負效應，但間接通徑系數總和的絕對值大于直接通徑系數的絕對值，說明脯氨酸對主流煙氣中氫氰酸釋放量的影響主要通過總氮、總植物堿以及氨產生的正效應將直接負效應掩蓋。氯對氫氰酸釋放量的直接作用最小，主要是通過總植物堿、總氮、氨對氫氰酸生成起作用。

表3 煙葉中化學成分和主流煙氣中氫氰酸釋放量的通徑分析Table3 Path analysis of the chemical components and the release amounts of the hydrogen cyanide in mainstream cigarette smoke

3 討 論

研究不同產區、部位煙葉其卷制的單料卷煙主流煙氣中氫氰酸釋放量，可以為工農業選擇性降低煙氣中氫氰酸的釋放量，減小氫氰酸危害，提高煙葉安全性提供指導。我國5個主產煙區生態條件、栽培與管理措施等有差異，其煙葉氫氰酸釋放量差異顯著，其中黃淮煙區極顯著高于其他4個產區，西南煙區和北方煙區氫氰酸釋放量最低。不同部位煙葉卷煙氫氰酸釋放量表現為上部葉最高，中部葉次之，下部葉最低，與黃朝章[11]研究結果一致。引起部位間釋放量的差異其實質是不同部位與氫氰酸形成有關的化學成分含量的差異。產區和部位的差異對大田生產上改進栽培技術，工業上通過葉組配方的方法降低氫氰酸釋放量提供依據。

簡單相關結果表明，主流煙氣中氫氰酸釋放量與煙葉中總植物堿、揮發堿、總氮、氨、氨基酸等含氮類化合物均呈顯著性正相關，這與胡中立等[8]對氫氰酸含氮類物質前體物研究結果一致，但與王晶等[9]研究的游離氨基酸與氫氰酸的相關關系有一定的差別，酸性氨基酸與氫氰酸同樣有相關性，目前文獻還未對此現象進行推論，因此二者的關系還需要進一步地研究驗證。通徑分析進一步說明了煙葉中總氮、總植物堿、氨、脯氨酸這四個因子會以直接作用或相互間間接作用影響氫氰酸的形成。其中總氮的直接作用最大；總植物堿和氨直接作用大于間接作用，并且總植物堿主要通過總氮產生間接作用，氨主要通過總氮和脯氨酸產生間接作用；脯氨酸的直接作用被其間接作用掩蓋。

主流煙氣中氫氰酸釋放量還受到煙葉中其他化學成分的影響，簡單相關結果表明氫氰酸釋放量與氯顯著正相關，通徑分析結果表明氯對氫氰酸釋放量的影響主要以間接方式，氯含量升高，煙葉燃燒性變差，氫氰酸的釋放量增大；煙葉中糖含量升高，糖堿比升高，氫氰酸的釋放量減少，這與黃朝章等[11]研究結果一致。有研究認為，這是因為還原糖產生的α，β-不飽和醛酮類化合物與含氮類雜環化合物燃燒后在一定條件下可與氫氰酸發生加成反應，從而對氫氰酸產生一定的拮抗性[14]。煙葉中有機酸與氫氰酸釋放量也存在一定的相關性，丙二酸含量降低，其釋放量降低。

以煙葉中化學成分為自變量，氫氰酸釋放量為因變量，建立了氫氰酸釋放量的預測模型，Y=-40.77+16.72X1+37.82X2+806.94X3+13.82X4-47.69 X5，其中，Y—主流煙氣中氫氰酸釋放量，X1—總植物堿，X2—總氮，X3—氨，X4—氯，X5—脯氨酸，該回歸方程能夠解釋 61.3%的因變量變化，仍需進一步綜合其他因素進一步優化。從模型可以看出，氫氰酸的產生主要受含氮類物質和煙葉燃燒性影響較大。生產上可以考慮相應的農藝措施來降低氫氰酸的釋放量。

4 結 論

烤煙煙葉主流煙氣中氫氰酸釋放量產區間差異顯著，黃淮煙區釋放量最高，其次為東南煙區、長江中上游煙區、西南煙區，北方煙區最低。

不同部位煙葉主流煙氣氫氰酸釋放量達極顯著差異，上部葉最高，中部葉次之，下部葉最低。

主流煙氣中氫氰酸釋放量與煙葉化學成分關系較大，氫氰酸釋放量與煙葉中總氮、總植物堿、脯氨酸、氨等含氮類物質以及氯含量呈顯著正相關，它們是影響氫氰酸釋放量的主要因素。氫氰酸釋放量還與丙二酸顯著正相關，與總糖、還原糖呈顯著負相關，與蘋果酸、檸檬酸、醚提物關系不明顯。

單料卷煙煙氣氫氰酸釋放量可以通過多元逐步回歸分析建立的回歸模型進行預測，為了準確預測煙氣中HCN的釋放量, 還需要綜合其他因素進一步優化模型。

[1]Johnson W R, Kan J C.Mechanisms of hydrogen cyanide formation from the pyrolysis of amino acids and related compounds [J].J Org Chem.1971, 36(1)∶ 189-192.

[2]International Agency for Research on Cancer (IARC).Evaluation of the Carcinogenic Risk of Chemicals to Humans [C]//Tobacco Smoking.IARC Monograph∶ Lyon,Fr (14)∶ 13-16.

[3]Hoffman, Hecht S S.Advances in tobacco carcinogenesis[M].Chemical carcinogenesis and mutagenesis.Cooper CS, Grover P L.Springer-Verlag.London, U K, 1990∶63-102.

[4]謝劍平，劉惠民，朱茂祥，等.卷煙煙氣危害性指數研究[J].煙草科技，2009（2）：5-15.

[5]孟冬玲，鄒克興，范自眾.談談減害降焦中的若干問題[J].廣西煙草，2006（4）：25-26.

[6]肖協忠.煙草化學[M].北京：中國農業科技出版社，1997.

[7]朱大恒，李彩霞，張愛忠，等.煙氣有害成分與煙葉化學成分的關系[J].煙草科技，1999（4）：25-27.

[8]胡立中，董紅武，王程輝，等.煙草含氮化合物對卷煙主流煙氣氰化氫釋放量的影響[J].安徽農業科學，2011，39（14）：8597-8599.

[9]王晶，胡立中，朱棟梁，等.煙葉中游離態氨基酸與卷煙主流煙氣中氫氰酸的相關關系[J].光譜實驗室，2012，29（6）：3793-3797.

[10]Hao Jufang, Guo Jizhao, Xie Fuwei, et al.Correlation of Hydrogen Cyanide Formation with 2,5-Diketopiperazine and Nitrogen Heterocyclic Compounds from Co-pyrolysis of Glycine and Glucose/Fructose ENERGY & FUELS[J].Therm Anal Calorim, 2013, 27(8)∶ 4723-4728.

[11]黃朝章，蔡國華，趙藝強，等.單料煙主流煙氣 HCN與煙葉常規化學成分的相關性[J].煙草科技，2013（2）：62-64.

[12]張強，王浩雅，馬劍雄，等.云南烤煙的煙氣成分與煙葉化學成分的相關分析[J].中國煙草科學，2011，32（1）：75-79.

[13]國家煙草專賣局.YC/T253—2008 卷煙主流煙氣中氰化氫的測定 連續流動法[S].

[14]Zhang Z W, Xu Y B, Wang C H, et al.Direct Determination of Hydrogen Cyanide in Cigarette Main stream Smoke by ion Chromatography with Pulsed Amperometric Detection [J].J.Chromatogram.A, 2011,1218(7)∶ 1016-1019.