烤烟主流烟气中氢氰酸释放量的差异性及主要影响因素分析

蒯 雁，杜咏梅，张怀宝*，侯小东，荆聪莹，李小琴，李丹丹

（1.中国农业科学院烟草研究所，青岛 266101；2.中国农业科学院研究生院，北京 100081）

卷烟主流烟气中氢氰酸是烟叶中相关化学成分在700～1000 ℃燃烧时的裂解产物[1]。虽然释放量低，但其是霍夫曼有害清单中最具纤毛毒性的物质，国际癌症研究机构把氢氰酸列为卷烟烟气中最具毒性物质之一，2009年被列为我国卷烟主流烟气中最具代表性的七项有害成分之一[2-4]。随着我国加入《国际烟草框架公约》，吸烟与健康问题日益成为社会关注的焦点[5]。为此，除了对烟气中常规成分烟碱、焦油、CO的研究外，一些毒性大的微量有害成分日益受到重视，主流烟气中氢氰酸的研究也得到逐步地深入。

前人的研究表明[6-7]，烟叶中含氮化合物通过热裂解方式生成氢氰酸，胡立中等[8]通过向卷烟烟支添加5种特定的含氮化合物，测定了对应主流烟气中氢氰酸释放量的变化，蛋白质、氨基酸、挥发碱、硝酸盐、氮杂环等5类化合物是卷烟主流烟气中氢氰酸的重要前体物质。王晶等[9]研究了烟叶中游离氨基酸与主流烟气中氢氰酸释放量的关系，找出了对氢氰酸释放量具有主要影响的氨基酸，并且建立了游离氨基酸对氢氰酸释放量的预测模型。郝菊芳等[10]研究了氢氰酸机理与甘氨酸裂解行为的关系，表明当裂解温度高于300 ℃，甘氨酸会大量裂解产生氢氰酸。黄朝章等[11]进一步研究烟叶中总糖、总氮、还原糖、烟碱、钾和氯等化学成分与单料卷烟主流烟气中氢氰酸的相关性，得到了氢氰酸释放量和烟叶中常规化学成分的简单相关结论。

本研究考虑到在烟支燃吸过程烟叶中化学成分相互作用，并且烟叶化学物质燃烧生成复杂的烟气成分之间会发生相互协同和拮抗，均影响主流烟气中氢氰酸的形成和释放量。因此选择了我国主产区代表烟叶样品，分析不同产区、不同部位烟叶卷烟主流烟气中氢氰酸释放量差异，研究烟叶中化学成分对卷烟主流烟气中氢氰酸释放量的影响，并且通过逐步回归分析，规避化学成分之间多重共线性的影响[12]，建立了卷烟主流烟气中氢氰酸释放量的预测模型。为生产上通过应用农艺措施，协调烟叶化学成分，降低主流烟气中氢氰酸释放量，并用化学指标预测主流烟气中氢氰酸释放量，科学地评价烟叶原料安全性，提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 样品的收集与处理

1.1.1 样品的收集 选取了我国主产烟区 2010、2011两年烤烟烟叶样品，共计244份。每一产区选择代表性1～2产烟县作为试验样品，每个产烟县选取 6～12个代表乡镇，每一乡镇取大货收购点上、中、下三个部位具有代表性的 B2F、C3F、C3L、X2F等级的烟叶样品8～10 份，每份10 kg。

1.1.2 样品的处理 将选取的同一产烟县的代表性烟叶按照相同等级混合，去烟筋，切丝，卷制成烟支。卷烟圆周24.5 mm，长84 mm。选取平均重量（0.90±0.01）g 和平均吸阻（1000±50）Pa的烟支为合格烟支。并取200 g烟丝研磨成烟末，测定烟叶中化学成分。

1.2 试验方法

1.2.1 主流烟气中氢氰酸的测定 测定氢氰酸释放量的前处理方法：使用两张剑桥滤片（一张为NaOH处理的2.0 mL，1 mol/L的NaOH乙醇水溶液，乙醇水体积比为1∶1，一张为空白）按照ISO4387标准进行抽吸，捕集烟气。100 mL，0.1 mol/L的NaOH溶液萃取滤片，振摇30 min，0.45 μm滤膜过滤，连续流动仪进行氢氰酸的定量分析，连续流动分析仪分析参数参考 YC/T 253—2008[13]测定方法。

1.2.2 烟叶中化学成分的测定 分别按照 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等方法测定烟叶中水溶性总糖、还原糖、挥发碱、总植物碱、总氮、氨、氯、钾、石油醚提取物、游离氨基酸以及有机酸含量。

2 结 果

2.1 烟叶主流烟气氢氰酸释放量

样品中氢氰酸释放量范围117.2～226.6 μg/g，平均171.1 μg/g。变异系数达到26.5%。由表1看出，不同产区烟叶卷制的单料卷烟主流烟气中氢氰酸的释放量差异较大，且均达到显著水平。在同一部位下，黄淮烟区烟叶卷烟氢氰酸释放量极显著高于其他产区；东南烟区烟叶卷烟氢氰酸释放量仅次于黄淮烟区，高于其余3个烟区；长江中上游烟区烟叶卷烟氢氰酸释放量基本居中间水平；西南烟区和东北烟区氢氰酸释放量则相对较低，并且低于平均释放量。另外，发现各产区同一部位烟叶氢氰酸释放量的分布基本相同。

从表1还可以看出，同一产区，不同部位烟叶单料卷烟主流烟气中氢氰酸释放量存在极显著或显著差异，说明主流烟气中氢氰酸的释放量受部位影响大。随着部位的下降，主流烟气中氢氰酸释放量依次降低，上部叶最高，中部叶次之，下部叶最低。

表1 不同产区、不同部位烟叶卷烟氢氰酸的释放量 μg/gTable1 The release of hydrocyanic acid from different areas and stem positions

2.2 烟叶化学成分对主流烟气中氢氰酸释放量的影响

通过对中部叶的化学成分和主流烟气中氢氰酸释放量的数据分析，忽略部位间差异的影响，找出烟叶中化学成分对主流烟气中氢氰酸释放量的影响。利用SAS 9.2、DPS分析软件进行了简单相关分析、多元逐步回归分析以及通径分析。

2.2.1 烟叶中化学成分和主流烟气中氢氰酸释放量的相关分析 相关性结果表明（表2）：①主流烟气中氢氰酸释放量与烟叶中总植物碱、挥发碱、总氮、氨、酸性氨基酸、碱性氨基酸以及丙二酸呈极显著性正相关，与烟叶中氯、脯氨酸表现显著性正相关。表明烟叶中含氮类物质、氯以及丙二酸含量增加，主流烟气中氢氰酸释放量增加；②主流烟气中氢氰酸释放量与烟叶中总糖与还原糖均呈极显著性负相关，与糖碱比、钾氯比呈显著性负相关，表明含糖量高，燃烧性好的烟叶，主流烟气中氢氰酸释放量反之降低；③主流烟气中氢氰酸释放量与烟叶中草酸、苹果酸以及醚提物相关性不明显。

可见，主流烟气中氢氰酸的释放量和烟叶中化学成分存在密切的相关关系，氢氰酸的释放量受到多种化学成分的影响。

表2 烟叶中化学成分和主流烟气中氢氰酸释放量的简单相关系数Table2 Correlation coefficients of the chemical components and the release amounts of the hydrogen cyanide in mainstream cigarette smoke

2.2.2 烟叶化学成分和主流烟气中氢氰酸释放量的回归分析 对烟叶化学成分与主流烟气中氢氰酸释放量进行逐步回归分析，获得了回归方程：Y=-40.77+16.72X1+37.82X2+806.94X3+13.82X4-47.69 X5，其中，Y—主流烟气中氢氰酸释放量，X1—总植物碱，X2—总氮，X3—氨，X4—氯，X5—脯氨酸。对回归方程进行F检验和对方程系数进行t检验，结果表明所选回归数学模型达到显著性水平（回归方程的F值=12.2，P = 0.000＜ 0.05），回归方程系数的显著性也均小于0.05，说明自变量X与因变量Y存在线性回归关系，此回归模型及所有系数都具有统计学意义。决定系数 R2=0.613*，说明当前回归方程能够解释61.3%的因变量变化。但是准确预测主流烟气中氢氰酸释放量仍需综合其他因子进一步的分析。

2.2.3 烟叶中化学成分和主流烟气中氢氰酸释放量的通径分析 在多元逐步回归分析的基础上，分析总植物碱、总氮、氨、氯、脯氨酸对主流烟气中氢氰酸释放量的直接作用和间接作用大小。通径系数表示以上5个化学成分与主流烟气中氢氰酸释放量的关系。结果表明（表3），对主流烟气中氢氰酸释放量的直接作用表现为：总氮＞总植物碱＞脯氨酸＞氨＞氯。其中总氮主要是直接影响氢氰酸释放量；总植物碱和氨直接作用大于间接作用，总植物碱主要通过总氮产生间接作用，氨主要通过总氮和脯氨酸产生间接作用；脯氨酸产生直接作用为负效应，但间接通径系数总和的绝对值大于直接通径系数的绝对值，说明脯氨酸对主流烟气中氢氰酸释放量的影响主要通过总氮、总植物碱以及氨产生的正效应将直接负效应掩盖。氯对氢氰酸释放量的直接作用最小，主要是通过总植物碱、总氮、氨对氢氰酸生成起作用。

表3 烟叶中化学成分和主流烟气中氢氰酸释放量的通径分析Table3 Path analysis of the chemical components and the release amounts of the hydrogen cyanide in mainstream cigarette smoke

3 讨 论

研究不同产区、部位烟叶其卷制的单料卷烟主流烟气中氢氰酸释放量，可以为工农业选择性降低烟气中氢氰酸的释放量，减小氢氰酸危害，提高烟叶安全性提供指导。我国5个主产烟区生态条件、栽培与管理措施等有差异，其烟叶氢氰酸释放量差异显著，其中黄淮烟区极显著高于其他4个产区，西南烟区和北方烟区氢氰酸释放量最低。不同部位烟叶卷烟氢氰酸释放量表现为上部叶最高，中部叶次之，下部叶最低，与黄朝章[11]研究结果一致。引起部位间释放量的差异其实质是不同部位与氢氰酸形成有关的化学成分含量的差异。产区和部位的差异对大田生产上改进栽培技术，工业上通过叶组配方的方法降低氢氰酸释放量提供依据。

简单相关结果表明，主流烟气中氢氰酸释放量与烟叶中总植物碱、挥发碱、总氮、氨、氨基酸等含氮类化合物均呈显著性正相关，这与胡中立等[8]对氢氰酸含氮类物质前体物研究结果一致，但与王晶等[9]研究的游离氨基酸与氢氰酸的相关关系有一定的差别，酸性氨基酸与氢氰酸同样有相关性，目前文献还未对此现象进行推论，因此二者的关系还需要进一步地研究验证。通径分析进一步说明了烟叶中总氮、总植物碱、氨、脯氨酸这四个因子会以直接作用或相互间间接作用影响氢氰酸的形成。其中总氮的直接作用最大；总植物碱和氨直接作用大于间接作用，并且总植物碱主要通过总氮产生间接作用，氨主要通过总氮和脯氨酸产生间接作用；脯氨酸的直接作用被其间接作用掩盖。

主流烟气中氢氰酸释放量还受到烟叶中其他化学成分的影响，简单相关结果表明氢氰酸释放量与氯显著正相关，通径分析结果表明氯对氢氰酸释放量的影响主要以间接方式，氯含量升高，烟叶燃烧性变差，氢氰酸的释放量增大；烟叶中糖含量升高，糖碱比升高，氢氰酸的释放量减少，这与黄朝章等[11]研究结果一致。有研究认为，这是因为还原糖产生的α，β-不饱和醛酮类化合物与含氮类杂环化合物燃烧后在一定条件下可与氢氰酸发生加成反应，从而对氢氰酸产生一定的拮抗性[14]。烟叶中有机酸与氢氰酸释放量也存在一定的相关性，丙二酸含量降低，其释放量降低。

以烟叶中化学成分为自变量，氢氰酸释放量为因变量，建立了氢氰酸释放量的预测模型，Y=-40.77+16.72X1+37.82X2+806.94X3+13.82X4-47.69 X5，其中，Y—主流烟气中氢氰酸释放量，X1—总植物碱，X2—总氮，X3—氨，X4—氯，X5—脯氨酸，该回归方程能够解释 61.3%的因变量变化，仍需进一步综合其他因素进一步优化。从模型可以看出，氢氰酸的产生主要受含氮类物质和烟叶燃烧性影响较大。生产上可以考虑相应的农艺措施来降低氢氰酸的释放量。

4 结 论

烤烟烟叶主流烟气中氢氰酸释放量产区间差异显著，黄淮烟区释放量最高，其次为东南烟区、长江中上游烟区、西南烟区，北方烟区最低。

不同部位烟叶主流烟气氢氰酸释放量达极显著差异，上部叶最高，中部叶次之，下部叶最低。

主流烟气中氢氰酸释放量与烟叶化学成分关系较大，氢氰酸释放量与烟叶中总氮、总植物碱、脯氨酸、氨等含氮类物质以及氯含量呈显著正相关，它们是影响氢氰酸释放量的主要因素。氢氰酸释放量还与丙二酸显著正相关，与总糖、还原糖呈显著负相关，与苹果酸、柠檬酸、醚提物关系不明显。

单料卷烟烟气氢氰酸释放量可以通过多元逐步回归分析建立的回归模型进行预测，为了准确预测烟气中HCN的释放量, 还需要综合其他因素进一步优化模型。

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