2014烟草化学-5生物碱

烟草化学

郑州轻工业学院程传玲第五章烟草生物碱一、教学目的:1.了解有关的生物碱。

2.掌握烟草生物碱的种类、结构。

3.熟练掌握烟碱的结构、性质、对烟草品质的影响。

4.掌握烟碱的积累规律及影响因素。二、教学内容:1.生物碱及烟草生物碱概述。

2.烟碱的结构和性质。

3.烟碱的生物合成和积累规律。

4.烟碱对烟质的影响。

5.烟碱的生理作用和对健康的危害。三、教学重点:

1.烟碱的结构和性质。

2.烟碱对烟质的影响。

3.烟碱的生理作用和对健康的危害。四、教学难点:

1.烟碱可能的生物合成路线。

2.烟碱的积累规律及影响因素。五、学时分配:

6学时第一节生物碱概述

一、概述生物界是一个十分庞大、极为复杂的世界，在漫长的进化过程中，其体内的代谢途径及其产物也必然是形形色色、繁杂纷纭的。

糖类、蛋白质、脂类及核酸等这些与生物本身的生存密切相关的物质代谢称为初生代谢产物。抗生素、维生素、生物碱等其他的对生物体没有明显作用的物质代谢被称为次生代谢，这些物质称为次生代谢产物。

次生代谢的产物对生物体本身的意义不大，不是机体生存所必需的物质。但是同人类的生活有着密切的关系，其产物的开发和利用具有重要的社会价值和商品价值。

如各种抗生素是重要的医药原料，维生素是维持机体生命活动的一类微量小分子有机化合物，能调节机体内物质代谢过程，许多生物碱也对人体有很强的生理作用，是许多中草药的有效成分。

与初生代谢产物相比，次生代谢产物无论是在数量上还是在类型上都要比初生代谢产物多得多和复杂得多。

目前对次生代谢产物的研究还远不及对初生代谢产物研究得那么广泛和深入。

根据次生代谢产物的结构特征和生理作用，可将其分为抗生素、生长激素、维生素、色素、生物碱和毒素等不同类型。其中生物碱就是最大的、最引人注意的一类。二、生物碱定义

是一类存在于生物体中的有机碱性物质，它主要存在于植物中，所以常叫做植物碱。

是一类含氮的有机化合物。

多数具有碱性且能和酸结合生成盐。

大部分为杂环化合物，且氮原子在杂环内。

多数具有较强的生理活性。

大多有旋光性且多为左旋。下列除外：

低分子胺类：甲胺、乙胺；氨基酸、氨基糖、肽类、蛋白质、核酸、核苷酸、卟啉类、维生素。三、生物碱在生物界的分布并不是所有的植物都含有植物碱，含有植物碱的植物并不多。但是一种植物可能含有多种植物碱（最多可达几十种），同科植物所含植物碱的结构往往是相似的。四、生物碱的存在形式

盐类：通常与无机酸（硫酸、磷酸、硫氰酸）或有机酸（苹果酸、柠檬酸、草酸、琥珀酸、醋酸、丙酸等）结合成盐而存在于植物中；

游离碱：只有少数植物碱以游离碱的形式存在；

也有少数植物碱分别以糖苷、有机酸酯或酰胺的形式存在。

此外，还有氮杂缩醛类、烯胺、亚胺等。

生物碱对于植物本身的作用虽然尚不清楚，但它毕竟是代谢产物，示踪烟碱的研究表明，烟碱和其他生物碱确实参加了植株的代谢活动。

许多生物碱对人体有很强的生理作用，是很有效的药物，许多中草药(甘草、当归、黄连、麻黄、贝母、常山等)的有效成分都是生物碱。

我国采用中草药治病已有数千年历史，驰名中外。生物碱结构和性质的研究，对于合成更有效的药物、丰富祖国医学宝库，具有重要意义，而且，这也是目前全世界都在关注的问题。五、生物碱的分类可按来源和化学性质分类，也可按来源结合化学结构分类。本书根据生物碱所含的碳和氮组成的基本结构，将生物碱分成：四氢吡咯族、六氢吡啶族、吡啶-吡咯族、缩双四氢吡咯族、缩双六氢吡啶族、喹啉族、异喹啉族、吲哚族、咪唑族、喹唑啉族、嘌呤族、菲环族、甾型生物碱以及非杂环族生物碱等。例如：六、生物碱的性质与鉴别（一）生物碱的通性1.性状

多数生物碱由C、H、O、N元素组成。极少数分子中含有Cl、S等元素。多数生物碱呈结晶形固体，有些是非晶形粉末，少数为液体。物碱多数有苦味，有些刺激唇舌有焦灼感。多数生物碱是无色的，但分子中有共轭结构可呈现颜色。2.旋光性很多生物碱是手性分子，具有旋光性，生物碱多数是左旋光体。生物碱的生理活性与旋光性有关。通常左旋光体的生理活性比右旋光体强。如乌头中左旋体去甲乌药碱具有强心的作用，而其它植物中右旋体无强心作用。L-莨菪碱的扩瞳作用比D-莨宕碱强100倍。也有少数生物碱右旋体的生理作用强于左旋体。如古柯碱局部麻醉作用是右旋体强。沙利度胺

在20世纪60年代，镇静药沙利度胺（thalidomide,又名“反应停”）是以两个对映体的混合物（消旋体）用作缓解妊娠反应药物的。后来发现，在欧洲服用过此药的孕妇中有不少产下海豚状畸形儿，成为震惊国际药界的悲惨事件。随后的研究表明：沙利度胺的两个对映体中只有（R）-对映体具有缓解妊娠反应作用，而（S）-对映体是一种强力致畸剂，在妊娠第1～2个月内服用会导致胎儿畸形。海豚

典型的与构型有关的例子3.溶解性绝大多数生物碱是仲胺和叔胺，是亲脂性生物碱，易溶于苯、乙醚、卤代烃、氯仿等有机溶剂。少数季铵型生物碱易溶于水。少数小分子生物碱能溶于水，也溶于有机溶剂。4.碱性生物碱分子中含有氮元素，因此有碱性，碱性受N的杂化状态、电子效应、空间效应的影响。5.沉淀反应生物碱能与多种试剂反应生成沉淀物，常用这种性质分离提纯生物碱。6.显色反应某些纯的生物碱单体能与由浓无机酸为主的试剂反应，生成不同颜色，这种试剂称为生物碱显色试剂，可以用来鉴别个别生物碱。

生物碱与许多试剂显不同的颜色，常见的有以下几种：

1）Mandelin试剂为1％钒酸铵的浓硫酸溶液。它与阿托品显红色；奎宁显淡橙色；吗啡显蓝紫色；可待因显蓝色；士的宁显蓝紫色到红色。2）Fröhde试剂为1％钼酸钠或5％钼酸铵的浓硫酸溶液。它与乌头碱显黄棕色；吗啡显紫色转棕色．可待因显暗绿色至淡黄色；黄连素显棕绿色；秋水仙碱显黄色；阿托品和士的宁等不显色。3）Marquis试剂为30％甲醛溶液0.2mL与10mL浓硫酸混合。它与吗啡显橙色至紫色；可待因显洋红色至黄棕色；古柯碱和咖啡碱不显色。

4）浓硫酸与秋水仙碱显黄色；可待因渐显淡蓝色；小檗碱显绿色；阿托品、古柯碱、吗啡及士的宁等不显色。

5）浓硝酸与吗啡显红蓝色至黄色；可待因显黄色；士的宁显黄色；乌头碱显红棕色；阿托品、古柯碱、咖啡碱不显色。

6）浓盐酸与藜芦碱显红色；小檗碱在加氨水情况下可显红色；其他大部分生物碱均不显色。

（二）鉴别鉴别生物碱常用的试剂为碘化铋钾(dragendorff)试剂。其配制方法：溶液Ⅰ为0.85g次硝酸铋溶于10mL冰醋酸及40mL水中；溶液Ⅱ为8g碘化铋钾溶于20mL水中。取溶液I、溶液Ⅱ等体积混合液1mL与2mL乙酸、10mL水混合即可用于显色试验。加入该试剂的含生物碱试液显棕黄色。（三）总生物碱的提取方法有：溶剂法、离子交换树脂法和沉淀法。1.溶剂法这是最常用的方法。提取速率与溶剂用量（一般7~10倍）、原料粉碎度、操作条件（如温度、搅拌）等因素有关。如采用超声波工业规模地提取萝芙木根生物碱时，提取时间从原来的120小时缩短为5小时。含油脂油脂多的植物材料，则应预先脱脂。甙类生物碱的提取，宜采用新鲜原材料或先进行杀酶处理。（1）水或酸水－有机溶剂提取法：提取原理是：生物碱盐类易溶于水，难溶于有机溶剂；其游离碱易溶于有机溶剂难溶于水。一般操作是：用水或0.5～1％矿酸水液提取。提取液浓缩成适当体积后，再用碱（如氨水、石灰乳等）碱化游离出生物碱，然后用有机溶剂如氯仿、苯等进行萃取。此时，如有沉淀析出，则需滤集。最后浓缩萃取液得亲脂性总生物碱。本法简便易行，但不适用于含大量淀粉或蛋白质的植物材料，且操作上提取液浓缩较难。（2）醇－酸水－有机溶剂法：本法基于生物碱及其盐类易溶于甲醇或乙醇。故用醇代替水或酸水提取生物碱。而且醇提取液浓缩容易。醇提取物含不少非生物碱成分，需进一步纯化。常用适量酸水使生物碱成盐溶出，过滤，酸滤液再如上述方法碱化、有机溶剂萃取、浓缩得亲脂性总生物碱。（3）碱化－有机溶剂提取法：一般操作方法是：将提取材料用碱水（石灰乳、Na2CO3溶液或10％氨水）润湿后，再用有机溶剂如CH2Cl2、CHCl3、CCl4或苯等直接进行固一液提取。回收有机溶前后即得亲脂性总生物碱。由于弱碱性生物碱难以稳定盐类存在于植物中，所以，如欲提取总弱碱性生物碱，只需用水或稀有机酸如酒石酸、乙酸等润湿后，再用有机溶剂进行固－液提取、回收溶剂，即得。本法所得总生物碱较为纯净。同时，提取过程中完成与其它强碱性生物碱的分离。（4）其它溶剂法：某些亲水性生物碱如N-氧化物等，常用与水不相混溶的有机溶剂如正丁醇、异戊醇等进行提取。2.离子交换树脂法

将酸水提取液与阳离子交换树脂（多用磺酸型）进行交换，以与非生物碱成分分离。交换后树脂，用碱液或l0％氨水碱化后，再用有机溶剂（如乙醚、氯仿、甲醇等）进行洗脱，回收有机溶剂得总生物碱。树脂的交联度十分重要，以1%～3％为宜。操作上，若用乙醚洗脱，则碱化十分关键，以有润湿感为指标。

本法有很重要的实用价值。许多药用生物碱如筒箭毒碱（tubocurarine）、奎宁、麦角碱类、东莨菪碱、石蒜碱、咖啡因等都是应用此法生产的。个别情况下离子交换后，因强吸附作用而难于用有机溶剂洗脱下来。3.沉淀法

季胺生物碱因易溶于碱水中，除离子交换树脂法外，往往难于用一般溶剂法将其提取出来。此时常采用沉淀法进行提取。以雷氏铵盐为例，一般操作如下：

1）将季胺生物碱的水溶液，用酸水调到弱酸性，加入新鲜配制的雷氏铵盐饱和水溶液至不再生成沉淀为止。滤取沉淀，用少量水洗涤1～2次，抽干，将沉淀溶于丙酮（或乙醇）中，过滤，滤液即为雷氏生物碱复盐丙酮（或乙醇）溶液。

2）于此滤液中，加入Ag2SO4饱和水液，形成雷氏铵盐沉淀，滤除，滤液备用。3）于滤液中加入计算量BaCl2溶液，滤除沉淀，最后所得滤液即为季胺生物碱的盐酸盐。整个反应过程如下:(Ⅰ)B++NH4[Cr(NH3)2(SCN)4]→B[Cr(NH3)2(SCN)4]↓(Ⅱ)2B[Cr(NH3)2(SCN)4]+Ag2SO4→B2SO4+2Ag[Cr(NH3)2(SCN)4]↓(Ⅲ)B2SO4+BaCl2→BaSO4↓+2B·C1B=季铵生物碱阳离子第二节烟草生物碱

烟草生物碱是一个类群，包括近50种物质，存在于约60多个不同种的烟草中，它们的个别成分也存在于烟草以外的某些植物。烟草生物碱按照其分子结构主要有两类：一类是吡啶与氢化吡咯相结合的化合物，如烟碱(尼古丁)、去甲基烟碱(降烟碱)、去甲基去氢烟碱(麦斯明)、二烯烟碱(尼古替林)、去甲基二烯烟碱(降尼古替林)等。

另一类是吡啶与吡啶或氢化吡啶相结合的化合物，如假木贼碱(安那培新)、N-甲基假木贼碱(N-甲基安那培新)、新烟草碱(安那他明)、N-甲基新烟草碱(N-甲基安那他明)、2，3’-二吡啶等，其结构如下：

此外，还有烟碱的对映体(C10H14N2)、尼可托因(C8H11N2)、N-氧化烟碱(氧化烟碱)、N’-甲酯基降烟碱、N’-甲酰基降烟碱、N’-乙酰基降烟碱、N’-己酰基降烟碱、N-辛酰基降烟碱、可的宁、2，2’-双吡啶、2，3’-双吡啶(异烟草碱)、5-甲基-2，3’-双吡啶、N’-甲酯基新烟草碱以及烟草灵和新烟草灵等。

烟草生物碱中，以烟碱为最重要。它约占烟草生物碱总量的95%以上。其次是去甲基烟碱、新烟草碱等。去甲基烟碱又称降烟碱，以左旋、右旋、外消旋三种形式存在。烤烟中降烟碱的存在对吃味不利，一般认为它是在烟叶生长、烘烤和复烤期间由烟碱转化形成的。假木贼碱和新烟草碱的生理效应和其他性质基本上与烟碱相同。一、烟碱的结构烟碱的英文名称是nicotine(尼古丁)。据资料介绍，1561年法国驻葡萄牙大使琼·尼可特(JeanNicot)把黄花烟草献给法国皇后卡萨林，开始作为观赏植物种在花园里，后来被人们作为鼻烟而利用，发现烟草中有一种刺激性物质，就以这个大使的名字来命名，这即是nicotine的来历。1753年植物分类学家林奈斯(Linnaeus)就用这个名称作为烟草属的属名：Nicotiana。

1825年瑞士化学家培柯特(A·Pikete)首次从烟草中分离出尼古丁。

1893年培耳尔(Pinner)完全以化学方法最早确定其化学结构。

1928年spath和Bretschneider用化学合成法证实了这种结构。即尼古丁的化学名称为1-甲基-2-(3’-吡啶)吡咯烷。

烟碱是由一个吡啶环和一个氢化吡咯环构成的，属于杂环化合物。假木贼碱是烟碱的同分异构体，是一个吡啶环和一个氢化吡啶环构成的。烟碱和假木贼碱的分子式都是C10H14N2，去甲基烟碱的分子式是C9H12N2。二、烟碱的物理性质无色或淡黄色油状液体（室温），与空气接触很快变为棕黄色。有强烈的刺激性，味辛辣。沸点247℃，比重1.009(20℃)，具有左旋性。可溶于水，并可与水以任意比例相混溶。有潮解性，在60℃以下能与水反应生成水合物。具有随水蒸气挥发而不分解的特殊性质，常规分析中从烟草样品中提取烟碱就是根据这种性质进行的。在调制、发酵以及烟草制品加工过程中，在高温有水分蒸发的情况下，烟碱随之蒸发而含量减少。也能溶于乙醇、乙醚及石油醚等有机溶剂。

烟碱对某波段的短波光(即紫外光)具有最大的吸收能力，并且吸光度与烟碱的含量呈正比。因此用水蒸气将烟草样品中的烟碱蒸馏出来，借助于紫外分光度计即可测得待测液中烟碱的浓度，进一步换算出烟碱的含量。烟碱有剧毒，少量刺激人的中枢神经系统，引起兴奋，并增高血压，大量时能抑制中枢神经系统，使呼吸困难和心脏麻痹。如果一次吸入或内服纯烟碱达40毫克，则可使人致死。但烟碱不会在人体内积累，在体内代谢过程中很快随尿排出体外。

三、烟碱的化学性质（一）碱性及成盐作用吡啶环上的碳原子与氮原子均以sp2轨道成键，每个原子上有一个p轨道，p轨道中有一个p电子，共有（4n+2）个p电子形成环状封闭的共轭体系，具有芳香性。氮原子上还有一个sp2杂化轨道，被一对电子占据，未参与成键，可以与质子结合，因此吡啶显碱性。

吡啶又是一个叔胺，由于氮原子上存在未共用电子对，环上的电子云也偏向于氮原子，它的碱性(pKb=8.8)比苯胺的碱性(pKb=9.3)强，但比脂肪族胺及氨(CH3NH2：pKb=3.36；NH3：pKb=4.75)弱得多。

吡咯是一个仲胺。在吡咯环中由于氮原子上的未共用电子对参与共轭体系，不易与质子结合，吡咯的碱性极弱，比一般仲胺的碱性弱得多。烟碱结构中的氢化吡咯为饱和化合物，不存在共轭体系，未共用电子对能与质子相结合，具有一般仲胺较强的碱性(pKb=3左右)。由于烟碱结构中的吡啶环和氢化吡咯环均呈碱性，所以烟碱是碱性化合物。能与多种无机酸及有机酸反应生成盐，这些盐大多易溶于水和有机溶剂。在烟草生物体内大部分烟碱与草酸、苹果酸、柠檬酸、芳香族酸结合成相应的盐类，叫做结合态烟碱。这种结合态烟碱在碱性条件下会分解，产生游离态烟碱。游离态烟碱的碱性大于结合态烟碱。在烟草样品中加强碱(NaOH)使烟碱的盐分解为游离态烟碱，再进行蒸馏，可以得到烟碱水溶液。烟碱能与无机酸结合生成盐，如在烟碱的工业提取中，就是用盐酸或硫酸吸收烟碱而制取盐酸烟碱或硫酸烟碱。（二）氧化作用

烟碱易被氧化，在空气中会自动氧化成烟酸、氧化烟碱、烟碱烯等。在紫外光作用下，转变为烟碱氧化物。受强氧化剂（如浓HNO3、KMnO4）等，则转变为烟酸。烟酸又称尼可酸或β-吡啶甲酸，为无色针状结晶。

烟酸羧基的羟基被氨基取代生成烟酰胺。

烟酸及其酰胺都是复合维生素B的成分，又常称为维生素PP，在医学上它能治疗人和动物的癞皮病，在酵母、米糠、肝、牛奶、花生中含量较多。烟酰胺是生物体内一些酶(如辅酶I和辅酶Ⅱ)的组成成分。

在缓和氧化条件下，烟碱变成二烯烟碱，二烯烟碱制成碘化物后氢化又可生成烟碱。

（三）沉淀作用

许多试剂(生物碱试剂)可与烟碱生成沉淀或发生颜色反应，可以用这些试剂来检出烟碱。例如，在酸性条件下，烟碱溶液中加入硅钨酸，生成烟碱的硅钨酸盐白色沉淀，加热静置后形成针状结晶。烟碱的硅钨酸盐在800-850℃的高温下灼烧，剩余下来的不能氧化的是无水硅钨酸残渣，即SiO2·12WO3。根据化合物的定量比例关系，称其重量即可计算出总烟碱的含量。2C10H14N2+SiO2·12WO3·26H2O→SiO2·12WO3·2H2O·(C10H14N2)2·5H2O↓+19H2O（四）烟碱的稳定性

CORESTA研究了各种储存条件对烟碱降解的影响，结果表明:在储存过程中，高纯度烟碱降解缓慢。纯度为99%的烟碱储存于冰箱中18个月，纯度降为97%。主要降解的产物为Cotinine和myosmine，实验中测到的最大值为1%，且对烟碱的测定结果影响较小。另外，水是储存过程中的主要污染物，其含量大约为1%，在校正了水分之后，硅钨酸对纯度高于96%的烟碱可得到最佳测定值。即在这个纯度下，降解产物的干扰可以忽略不计。（五）显色反应

烟碱在酸性条件下与一些试剂发生颜色反应，能使烟碱显色的试剂称为生物碱显色试剂，如碘化铋钾可与烟碱反应生成粉红色。（六）烟碱的毒性

烟碱有剧毒，少量刺激人的中枢神经系统，引起兴奋，大量时如一次吸入或内服纯碱达40mg以上，可使人致死。各种脂肪酸与烟碱形成的盐溶于水后有杀虫活性，并且游离烟碱（左旋体）杀虫活性比烟碱的盐（右旋性）强，烟碱溶液的碱性对动物或昆虫的毒性大于中性溶液，中性溶液大于酸性溶液。（七）烟碱的挥发性

烟碱用水蒸气蒸馏时很稳定，即具有随水蒸气挥发而不被分解的特殊性质。在常温下烟碱的挥发性不强，生长期的高温季节，烟碱能从成熟烟叶“蒸发”。在日本报道桑叶被附近烟田里所蒸发出来的烟碱污染，常对家蚕有毒性作用。烟碱在碱性溶液中不仅易挥发出蒸汽对昆虫产生熏蒸杀灭作用，而且也容易渗入虫体。烟叶在加工过程中由于高温和水分蒸发的作用，使得烟碱不断挥发散失，从而也达到了去除杂气、醇和烟味的目的。（八）烟碱的降解

烟碱比较容易被降解，在不同条件下烟碱的降解产物不同。烟碱在陈化和发酵时，酶的作用和非酶反应可在某种程度上造成烟碱的降解转化。Frankenburg及其同事们对生物碱降解做了渗入的研究。宾夕法尼亚雪茄芯叶在陈化和发酵时，烟碱显著降低，同时增加了烟酸、麦思明、3-吡啶基甲基酮、2-3’-联吡啶、氧化烟碱、3-吡啶基丙酮、烟酰胺、N-甲基烟酰胺和可的宁等烟碱转化物。除此之外，烟碱也可被微生物和细菌的酶降解。能利用烟碱作为碳、氮源的微生物单体不仅可以从土壤中获得，也可得自烟草、空气和烟草薄片。第四节烟草生物碱的生物合成和积累一、烟草生物碱的生物合成烟草生物碱合成的研究最活跃的时期是20世纪40年代至60年代，尤其是生物合成的场所和路线。近年来对生物合成的研究大多涉及新仪器、放射性核素标记、有机化学和组织培养等。1.烟草生物碱的形成部位(器官)

为了研究生物碱的合成部位，奈斯(NathB.V.，1936)是做烟草-番茄嫁接的第一个人。此后，这种技术被广泛地用于生物碱形成场所的研究。许多研究指出，烟碱是在烟草根部合成的，通过木质部输送到地上部，这是比较统一的结论。去甲基烟碱是在植株地上部烟碱脱去甲基的产物。假木贼碱在根部和地上部分均能形成。然而，在烟草植株的其它器官也有合成生物碱的证据，但合成的比例很小。2.烟碱的形成途径①14C示踪研究表明，烟碱的形成不是直接利用CO2，而是涉及到糖、有机酸和氨基酸。②烟碱的生物合成是极其复杂的过程，有不少假说。一般认为需经历三个步骤，即N-甲基吡咯烷环的形成、烟酸的活化及其两者的化合。（1）N-甲基吡咯烷环生物合成的主要路线精氨酸形成N-甲基二氢吡咯环（2）烟酸的形成和活化

3-磷酸甘油醛和天冬氨酸可形成喹啉酸，喹啉酸脱羧性形成烟酸。

烟酸的生物合成（3）N-甲基吡咯烷环与烟酸的化合烟酸结合到烟碱的吡啶环同时失去羧基，烟碱中的吡咯烷环是与吡啶环的C3位置相连接。烟碱形成的假设，包括了烟酸还原成为3,6-二氢烟酸，二氢烟酸经受同时脱羧并与N-甲基-△-吡咯烷盐的化合。中间产物脱氢失去原先存在于烟酸C6上的氢，而截留的氢加到还原步骤中成为3,6-二氢烟酸。烟酸和N-甲基-Δ’-二氢吡咯盐形成烟碱3.烟碱的代谢烟碱的代谢物在烟碱的广泛降解中，烟酸是第一个已知的特殊代谢物(图5-5)。二、烟碱的化学合成1、1911年法国专利报道一种四步合成烟碱的路线。二、烟碱的化学合成2、其他几种合成烟碱的简要路线三、烟草生物碱的积累烟草类型、烟叶部位、栽培方法、成熟度和肥料处理是决定烟草生物碱含量的几个重要因素。马里兰烟和土耳其烟一般烟碱含量较低，烤烟、白肋烟、古巴和美国康涅狄格州的雪茄外包叶属中等，宾夕法尼亚烟、深色明火烤烟，尤其是黄花烟的烟碱含量高。烟草中叶片的烟碱含量最高，根部次之，根茎最少。在一片叶片中，叶尖和叶缘的生物碱含量通常比叶基和叶中心区域高。三、烟草生物碱的积累生物碱含量随植株的成熟而增加，尤其是在打顶以后时期。烟碱的显著增高通常伴随氮肥用量的增加。在适宜的条件下，黄花烟每亩经常产生11kg或更多的烟碱，差不多比普通红花烟草多一倍。普通红花烟草中烟碱含量也存在很大差异。检测152个栽培品种，发现生物碱含量范围在0.17%~4.93%之间。关于烟碱遗传的现行知识已有完整的记载，有广泛含量范围的烟草品系都能获得。去甲基碱和假木贼碱是仅次于烟碱含量的生物碱，烟碱和去甲烟碱是由单一的显性基因所控制。四、影响生物碱积累的因素1.遗传性质某些物种和品种的遗传性规定其生物碱含量的高或低。不同含量的生物碱可通过选种或育种来获得。烟草中烟碱的含量可从某些雪茄烟品系的接近于零，直至白肋烟品系中的4.5%。美国农业部研究处所收集保存的红花烟草种质和烟草属各品种中，观察到总生物碱含量范围为0.20%~7.80%。2.栽培因素

在氮素吸收过程几乎停止时，生物碱的形成急剧增加。打顶是两个过程高峰的分界，可见打顶对氮素代谢和生物碱合成有重要作用。图5-8：①土壤中含氮量对烟株烟碱含量的作用在打顶前不明显，但打顶后烟碱含量急剧增加；②烟碱合成高峰期比氮吸收高峰期要晚，烟草能利用打顶前吸收的氮来合成烟碱；③打顶后吸收的氮比打定前吸收的氮更有效的结合到烟碱中去，为了获得烟碱含量低的烟叶，要求不供应较多的氮或不供应打顶后吸收的氮；④打顶的烟株，刺激了根系的生长，合成更多的烟碱；⑤在烟草植株中烟碱的合成和分解是一连续过程，开花期打顶抑制了降解作用，造成了总生物碱含量的净增。3.环境因素土壤因素肥沃、黏重、色暗的土壤烟碱含量高，疏松的沙质土壤烟碱含量低，烟碱形成最适宜的pH为6左右。土壤湿度低，有利于烟碱的积累；土壤湿度高，降低烟碱的含量。气候因素成熟期积温与烟碱含量呈正相关；成熟期降雨量与烟碱含量呈负相关；成熟期日照时数与烟碱含量呈正相关。五、我国烟叶和卷烟生物碱含量及组成比例烟草栽培品种中主要有四种生物碱：烟碱、降烟碱、新烟草碱和假木贼碱。1、不同类型烟叶主要生物碱含量及组成比例表5-1不同类型烟叶生物碱含量的测定结果。（1）香料烟

我国香料烟生产主要集中在新疆、湖北十堰、浙江新昌、云南宝山一带。由表可以看出，我国不同地区主要等级香料烟生物碱含量幅度为0.86%～2.52%，平均为1.58%；烟碱含量为0.84%～2.17%，平均为1.45%。上部叶和中部叶的总生物碱平均含量分别为1.40%和1.79%，烟碱含量分别为1.33%和1.61%。3个地区香料烟生物碱含量相比，以湖北十堰相对较高，浙江新昌较低。4个生物碱中烟碱含量最高，假木贼碱最低。

4个生物碱中烟碱含量最高，假木贼碱最低。烟碱、降烟碱、新烟草碱和假木贼碱占总生物碱的比例分别为92.51%、6.27%、0.97%和0.26%。烟样中随着降烟碱比例的增加，烟碱比例下降。（2）白肋烟湖北、四川等地是我国白肋烟的集中产地。由表可以看出，不同白肋烟总生物碱含量变化范围为2.39%～6.28%，其中烟碱为2.12%～5.87%，平均值分别为3.74%和4.03%。目前国际公认的优质白肋烟烟碱含量分别为3.0%～3.5%，我国部分白肋烟烟碱含量偏高。（3）烤烟我国烤烟烟碱含量高于津巴布韦烟叶，与巴西烟叶接近。新疆黄花烟和东北晒红烟的生物碱组成比例与烤烟接近，但生物碱和烟碱的绝对含量较高，尤其是黄花烟。2、我国不同类型卷烟生物碱含量分析烤烟型、混合型、外香型、雪茄型和雪茄烟5种类型的不同牌号卷烟。（1）烤烟型烤烟型卷烟总生物碱和烟碱含量的范围分别为1.19%～1.88%和1.15%～1.80%，平均值分别为1.62%和1.55%，烟碱含量占总生物碱含量的95.9%，其它依次为降烟碱、新烟草碱和假木贼碱。与国外名牌烤烟型卷烟相比，生物碱含量水平接近。（2）混合型卷烟混合型卷烟的总生物碱、烟碱和降烟碱含量明显高于烤烟型卷烟，特别是降烟碱平均含量比烤烟型卷烟高55%。从各生物碱的组成比例来看，烟碱占总生物碱的比例降低，降烟碱比例增加。这种变化趋势与混合型卷烟中配有白肋烟有关。与国外名牌混合型卷烟相比，我国多数混合型卷烟的烟碱含量偏高。各生物碱的组成比例与国外卷烟接近。（3）外香型卷烟外香型卷烟各生物碱含量水平及组成比例与烤烟型卷烟相近，这与我国外香型卷烟多以烤烟烟叶为原料有关。（4）雪茄型卷烟所选的两个牌号的雪茄型卷烟为低档次卷烟。分析表明，其总生物碱含烟碱水平与烤烟接近，但烟碱含量明显偏高，降烟碱占总生物碱的比例，两个牌号分别为4.56%和8.30%。（5）雪茄雪茄烟的烟碱含量和降烟碱比例都高于烤烟型卷烟。第五节烟碱对烟质的作用一、烟碱的挥发和降解

挥发:烟碱具有挥发性和随水蒸气蒸发的性质。干烟叶在加工过程中由于高温和水分蒸发的作用，烟碱不断挥发散失，因此在烟草加工时常采用加湿和去湿交替进行，达到去除杂气、醇和烟味的目的，其中烟碱有一定的散失。

降解:烟碱在紫外光照射时形成二烯烟碱、甲胺、烟酸。在30℃通气氧化时，烟碱的氧化产物有烟酸、氧化烟碱、二烯烟碱、可的宁、麦斯明等。烟碱的微生物降解，涉及土壤细菌。从微生物降解产物中分离出假氧化烟碱和3-烟酰基丙酸。二、对烟质的作用烟碱是烟叶中最重要的生理活性物质。摄入适量的烟碱可以提神兴奋，精神振作，消除紧张状态等，是烟碱兴奋大脑神经的生理作用。内在质量好的烟叶及烟制品含有适量的烟碱，将给吸烟者以适当的生理强度和好的香气、吃味。烤烟烟碱含量：下部叶1.2%~1.5%，中部叶1.8%~2.0%，上部叶2.5%~3.0%，较为适宜，平均以2.0%最好。

白肋烟烟碱含量在2%~4%范围内，以3%为佳。若烟碱含量过低则劲头小，吸食淡而无味。若烟碱含量高则劲头大，刺激性增强，产生辛辣味。烟碱含量还要与其他类型化合物保持平衡协调比例，才能产生好的综合质量，特别是水溶性糖与烟碱的比例常用来评价烟质的劲头和舒适程度。Coulson(1958年)研究了两者的比例与吃味特征的关系如下表。

烟气中的几种吡啶化合物是从烟碱高温分解形成的，这些化合物产生仅能从烟气中辨别出的类似烟叶的树脂香味。下列反应式说明在不同温度下烟碱的热解反应。使用低烟碱含量的烟叶，若在加工之前将吡啶衍生物添加烟叶中，则抽吸效果有很大改善。

烟碱在烟叶中以两种形态存在，烟叶燃烧后在烟气中这两种形态也存在。游离态烟碱的碱性和刺激性强于结合态。随着烟叶或烟气碱性的增加，结合态烟碱转变为游离态。因此控制烟气的碱度，是减轻刺激性的一种途径。另一方面，游离态烟碱对味觉感官有明显的满足效果，所以在一定量的范围内，当烟碱含量高，烟气的pH值大或游离态烟碱比例高时，吸烟者会得到更大满足。三、吸烟的作用

人们为什么要吸烟?香烟的诱惑力究竟是什么?非吸烟者对此往往感到困惑不解。然而尽管还没有对吸烟的动机和行为得出明确的结论，吸烟毕竟是一种社会现象和社会需求。

吸烟者在总人口中占了相当大的比例，烟草作为自然界的一种产物，它必然会有某些显著作用的东西才有可能被如此众多的人们长期利用。几十年来人们认为生物碱是烟叶和烟气的主要标志，而吸烟的心理作用和生理作用，也以烟碱作为出发点。

美国医政局将习惯性吸烟定义为“一种与心理和社会的促动，并受到尼古丁对中枢神经系统的药理作用而强化和成瘾的主观必需品。”这一定义虽不能包揽所有吸烟者的吸烟动机，但它涉及到吸烟习惯的三个根源，既社会、心理和生理因素，并受到烟碱的强化作用。1.社会因素青年人尝试吸烟显示自己的成熟；女性吸烟是对传统习惯的挑战；影视、广告、其他吸烟者的暗示和影响；社交活动中的礼节如敬烟、让烟、递烟；作为礼品的馈赠；显示个人的地位、富有、时髦。2.心理因素吸烟具有心理依赖性，带来有益的心理效果；具有适度的兴奋作用和松弛作用，快慰感；抵御厌烦情绪，烦闷时抽烟；消除身体和情绪的紧张反应，焦虑时抽烟；吸烟可以消除疲劳，劳动和工作的休息时间抽烟；有助于思维和精力集中，提高工作效率、交谈艺术、学习效果、体育竞技等。3.生理作用烟气吸入口腔时，可获得吃味的生理享受；烟气到达鼻腔时，可感到愉快的香气；烟气刺激中枢神经系统，提供最强烈的生理感受；最重要的生理作用是成瘾作用，产生了强烈的依赖性。4.烟碱的药理作用烟碱进入大脑，与乙酰胆碱结合，能激活多种神经化学通道，提高觉醒、注意力和反应性，降低焦虑和紧张反应；烟碱的成瘾作用类似于其他成瘾药物；烟碱对大脑的作用是先兴奋后抑制，甚至麻痺；吸烟可抑制脊髓反射，降低膝反射，为消除紧张、放松情绪提供了药理依据；吸烟后脑电图表现惊醒反应，使注意力集中、思维敏捷、兴趣提高，是其药理基础。

对烟碱的药力学研究表明，烟碱在人体内被广泛代谢，半衰期为2h，说明烟碱在人体内无积蓄现象。

烟碱通过吸烟而摄入体内。96％在肺内吸收，人血液后6s可到达大脑，对大脑皮层产生兴奋作用。烟碱似乎是通过脉络膜丛的被动扩散和主动转移而进人大脑的，并结合在大脑中的乙酰胆碱受体上。烟碱主要对中枢神经和自主神经系统的神经细胞和运动神经末梢具有双重作用。

美国军医局的报告表明，卷烟有成瘾性，而烟碱又是烟草中引起成瘾的药物，其药理效应类似于其他成瘾药物，如海洛因和可卡因等。对烟碱的感觉和药理效果最初是反感，其作用的变化（从厌恶到有益和强化）是吸烟成瘾的关键因素，烟碱作为强烈的初始强化剂而使吸烟者逐步上升为依赖烟草。

吸烟者吸入的烟碱是和整个烟气量一起对大脑产生兴奋和抑制两个方面的作用，既和剂量有关，又和吸烟者的吸烟习惯（如深吸或浅吸、快吸和慢吸等）有关。四、戒烟烟碱是类似安非他明（氨基苯丙烷）的中枢神经兴奋剂，吸烟者对其有依赖性。烟碱在人体内半衰期是2h，抽完烟的2h后强烈渴望再抽一支，这种渴望在24~96h内达到高峰。戒烟会出现烟草停用综合症，欲罢不能的强烈渴望、思维分散、烦躁不安、易激动、易怒、昏昏欲睡、神经质等。戒烟后4周时间内抽烟渴望逐渐下降，但有一半以上的戒烟者在6个月内复抽，如果能坚持一年，将成为胜利者。五、烟碱的毒性和在体内的代谢1.烟碱的毒性①烟碱会引起心脏输血量升高，血压升高并使周围血管收缩增加，这是间接作用于交感神经---肾上腺髓质系统或直接作用于微粒中心而发生的。②烟碱可能影响脂类代谢和血小板粘连---聚集反应，对动脉粥样硬化的发展有一定的影响。③烟碱引起肾上腺体释放肾上腺素和去甲肾上腺素，从而对心血管系统有一定的影响。④烟碱还使血浆中的纤维蛋白原上升，因此增加了患局部缺血心脏病的危险性。⑤一氧化碳与烟碱的协同作用使其毒性增大，若不考虑烟气中一氧化碳的影响，也不能就烟碱对心血管系统的作用做出全面的评价，所以必须考虑两者的协同作用。2.烟碱的代谢吸烟者从一支卷烟的主流烟气中约吸入0.2~3.5mg烟碱，10%的烟碱自尿液原形排出，而大部分则通过体内代谢而形成其它代谢物。烟碱的毒性虽然是多方面的，但是在人体内不会积累，短时间内即由尿排出体外，所以只要不是连续不断地吸烟，是不会引起烟碱中毒的。

另外，由于人体的代谢作用也可以将烟碱变成无毒物质。如果连续吸入过量的烟碱，则会引起头晕、出冷汗、呕吐、意识模糊等中毒症状。第六节烟草及烟气中烟碱形态研究进展

烟碱分子中含有两个氮杂环和一个不对称碳原子，是弱二级碱，最多可以捕获两个质子，因此烟碱可以以游离态、单质子态和双质子态三种形态存在（如下）。研究发现，烟气烟碱量高的卷烟，劲头不一定大；而烟气烟碱量低的卷烟，劲头不一定小。相同烟气烟碱量的卷烟，劲头差距有时也很明显。这是因为烟气中烟碱形态不同，游离态烟碱挥发性很强，主要以气相形态存在，可以穿过口腔粘膜，被人体吸收的速度非常快，对中枢神经的药理作用强烈，抽吸时表现为劲头较强。而质子态烟碱则相对被口腔吸收的慢一点。不同游离烟碱含量对劲头有很大的影响。因此对烟碱的不同形态进行研究和测定是十分重要的。目前，国内外烟碱的形态研究主要集中在4个方面：①溶剂提取游离烟碱，并探讨烟碱形态与烟草和烟气pH值之间的关系；②通过1HNMR直接测定烟碱的形态分布；③烟碱及其它生物碱形态的理论计算和研究；④根据“有效pH值”概念进行扩展研究。1.烟碱形态与烟草pH值和烟气pH值的关系

BrunnemannKD等通过对烟碱形态分布与卷烟烟气pH值关系的分析发现：当烟气pH＞6.0时，烟碱才能以游离态存在；pH＞7.4时，游离态烟碱比例上升至30％；pH＞7.8时，游离态烟碱比例为50％左右。图1为经典的烟碱形态分布与pH值关系图。烟碱形态分布与pH值的关系1972年，Morie依据均相体系Lewis酸碱平衡理论计算了不同烟气pH值时烟气游离烟碱的比例，发现主流烟气中游离烟碱占总烟碱的比例很低，当烟气pH值为5.22～6.2时，游离烟碱的比例为0.22%～2.17%。由于该法没有考虑实际烟气中烟碱主要存在于粒相物中，而粒相物并不是一个均相体系，显然其结果与实际情况有一定偏差。同年，Weeks等以三氯甲烷为溶剂用索氏提取法萃取了多种烟叶中的游离烟碱，得到的游离烟碱比率分布为34%～90%。考虑到游离烟碱和烟碱盐的酸碱平衡以及索氏提取费时，估计此结果也存在较大的偏差。

1981年，CrouseWE等采用二氯甲烷提取测定了烟草中的游离烟碱，发现烟草游离烟碱和烟气劲头之间，烟气游离烟碱和烟气pH值之间都在一定程度上线性相关。白肋烟烟气pH值范围为：7.88～8.06，但其pH值测量误差为±0.1，进一步的重复实验表明，这种提取游离烟碱方法的重现性似乎不是很好。上述研究结果表明，烟碱形态与烟草pH值以及烟气pH值之间存在密切的相关关系，但考虑到各研究者对游离烟碱的定义和提取方法的不同以及烟草pH值和烟气pH值测量方法的不同，实验结果出现较大的差异在所难免。因此建立统一的烟草pH值和烟气pH值测定方法，对较准确地反映烟草和烟气中游离烟碱含量以及烟碱形态分布是非常重要的。2.1HNMR法直接测定烟碱的形态分布（1）测定原理

1HNMR法是根据实测烟碱1H位移为游离态和单质子态1H位移的线性加和原理，以核磁共振方法直接得到实际的烟碱形态分布，而不必考虑实际烟草体系是否达到酸碱平衡，因此其测定结果可信度明显高于测定烟草及烟气pH值的方法。

实际烟草体系的pH值通常大于3，根据烟碱形态分布与pH值的关系图，基本可以忽略双质子态烟碱的存在，即αa+αfb≈1。以αfb和αa表示游离烟碱和单质子态烟碱的所占比例，则实际烟草体系的烟碱1H化学位移为：δ=αaδa+αfbδfb式中：δ、δa和δfb分别为烟碱、单质子态和游离态的“N-甲基”1H化学位移。则：αfb=（δa－δ）/（δa－δfb）即通过测定实际烟草体系烟碱的化学位移可以直接得到烟草中烟碱的形态分布。（2）烟碱形态分布

1976年，WhidbyJF等采用氘代水和氘代三氟乙酸等酸性不同的氘代溶剂，通过NMR比较了纯品烟碱在不同酸性氘代溶剂中质子化速率和程度。

发现在酸性强的氘代溶剂中，烟碱的质子化以及质子态烟碱的脱质子化速率明显低于在氘代水中的相应速率。

此外，他们还对烟碱在不同酸性氘代溶剂中的NOE（NuclearOverhauserEnhancements）效应进行了较深入的对比研究。1976年，WhidbyJF等采用1HNMR测定了烟气粒相物中游离烟碱和单质子态烟碱的相对含量以及烟碱的质子化程度。结果表