烟草主流烟气中氢氰酸释放量的预测模型

烟草主流烟气中氢氰酸释放量的预测模型

1卷烟烟气的化学组成氢氰酸（hcn）是卷烟中最具毒性的药物，对人类非常有害。国际癌症研究机构将氢氰酸作为最有毒的卷烟吸入气体。研究学者在通过裂解氢氰酸的可能前体物来研究氢氰酸的形成机理方面做了大量研究工作,并有研究报道卷烟烟气中的氰化氢主要来自于烟草中的蛋白质、氨基酸和硝酸盐的转化,特别是甘氨酸、脯氨酸及氨基二羧酸的热解。然而,烟草包含化合物的种类非常多,在燃吸过程中物质之间会发生相互作用,导致单纯裂解模式和卷烟的实际燃烧情况差别较大,不能真实地反映卷烟烟气的化学组成。随着化学计量学的发展,它在烟草研究领域的应用变得非常广泛,但利用化学计量学手段研究烟叶中游离态氨基酸与烟气中氢氰酸的关系的详细报道较为少见,为此,本文研究了烟叶中16种游离态氨基酸和烟气中氢氰酸的描述性统计分析结果以及氨基酸与卷烟烟气中HCN释放量的相关性,探究了影响HCN释放量的主要氨基酸,从而期望达到利用烟叶原料控制卷烟烟气中HCN释放量的目的,为卷烟减害降焦提供科学依据。2实验部分2.1氨基酸仪器流动相18种氨基酸混标(10、25、100、250、1000pmol/μL,德国Sigma公司)[天冬氨酸(ASP)、苏氨酸(THR)、丝氨酸(SER)、甘氨酸(GLY)、丙氨酸(ALA)、缬氨酸(VAL)、胱氨酸(Cystine,缩写为CYS)、异亮氨酸(ILE)、亮氨酸(LEU)、赖氨酸(LYS)、精氨酸(ARG)、谷氨酸(GLU)、蛋氨酸(MET)、酪氨酸(TYR)、苯丙氨酸(PHE)、组氨酸(HIS)、脯氨酸(PRO),色氨酸(TRP)];氨基酸分析仪流动相(德国Syknm公司);浓盐酸(分析纯,上海苏懿化学试剂有限公司);氰离子(CN-)标准溶液(17mg/L,国家标准物质,中国计量科学研究院),50%氢氧化钠溶液(比利时AcrosOrganics公司),醋酸钠(比利时AcrosOrganics公司);氢氧化钠(分析纯,北京国药集团化学试剂有限公司)。实验用水为去离子水。S-433D型氨基酸分析仪(德国Syknm公司);JK-DY500型超声波清洗器(合肥金尼克有限公司);2-16型离心机(德国Sigma公司);ICS-3000型离子色谱系统(美国Dionex公司),包含四元梯度泵,ED3000电化学检测器、AS40自动进样器,Ag参比电极,Ag/AgCl对电极,钛电极,IonPacAS7分析柱(4mm×250mm),保护柱(4mm×50mm);RM20H型吸烟机(德国博瓦特-凯西公司),Milli-Q型超纯水发生器(法国MilliPore公司)。2.2实验方法2.2.1单料烟卷烟的制作60种单料烟烟叶及单料烟卷烟样品均由安徽中烟工业有限责任公司技术中心提供,单料烟用机制方法在同一台卷烟设备上卷制成60种单料烟卷烟,卷烟烟支样品的规格、原辅材料保持一致。烟样样品在40℃烘箱中干燥平衡3h后磨碎,过40目筛收集,收集的样品保存在温度为(22±2)℃、相对湿度为(60±5)%的环境中。2.2.2超声萃取与氨基酸分析准确称取1.000g烟末样品置于50mL锥形瓶中,加入20mL0.05mol/LHCl,室温下超声萃取30min,11000r/min下离心10min,上清液经0.45μm滤膜过滤,滤液待氨基酸分析仪分析。由于氨基酸分析仪测定氨基酸时THR和SER、ILE和LEU的分离度不理想,本实验中用THR代表THR和SER含量之和,LEU代表ILE和LEU含量之和。2.2.3氢氰酸是测定气体中常见香烟的关键卷烟主流烟气中氢氰酸的测定参照文献。2.2.4处理数据所有数据分析统计均采用SPSS16.0统计软件完成。数据处理包括描述性统计分析、相关性分析和线性回归方程的建立。3结果与讨论3.1烟台市氨基酸分布及含量采用2.2.2节中的方法,测定了60个烤烟型单料烟烟叶中16种氨基酸的含量,对数据结果进行描述统计分析。结果表明烤烟型单料烟中各种氨基酸含量的变异系数较大,都超过20%,说明不同地区、不同品种、不同部位的烟叶中氨基酸含量差异较大,本实验中THR、GLU、ALA、CYS、VAL、MET、HIS、TRP、ARG峰度值位于1—3之间,说明数据的分布比较适中,其他氨基酸的峰为非常态峰。THR、VAL、LEU的偏度值小于0,说明呈负偏态,其余氨基酸的偏度值大于0,呈正偏态。烟叶中游离态氨基酸的总量呈现明显的部位特征,从上部烟叶到下部烟叶氨基酸的含量逐渐降低(仅有个别氨基酸其含量表现为下部烟叶含量大于中部烟叶);另外,上部烟叶与中部烟叶的氨基酸含量差距较大,而下部烟叶和中部烟叶氨基酸含量较为接近,这一规律可以解释为不同部位烟叶在生长期所处的外部环境不同,所以氨基酸的含量存在差异。由于上部烟叶处于强光照条件下时间较长,合成积累干物质多,如蛋白质等,在烟叶调制、加工过程中蛋白质分解得到较多的游离态氨基酸,因此上部烟叶氨基酸的含量明显高于中部和下部烟叶。3.2氰酸含量的变幅采用离子色谱-脉冲安培检测法测定了60种单料烟主流烟气中HCN的含量,对数据结果进行描述统计分析,结果见表1。结果表面,烟气中氢氰酸含量的变幅在154.0—321.0μg/支之间,平均值为215.9μg/支,标准差为38.37μg/支,变异系数为17.77%,峰度值(0.365)小于1,说明数据的分布比标准正态分布更平缓,为平峰分布。偏度值(0.819)大于0,表示正偏差值大,为正偏。氢氰酸的释放量也呈现上部烟叶大于下部和中部烟叶的趋势,这说明氨基酸和卷烟烟气中氢氰酸的释放量可能存在一定的内在关系。3.3氨基酸活性成分与hcn的关系国际癌症研究机构(IARC)指出,卷烟烟气中的HCN取决于烟草中硝酸盐、蛋白质和氨基酸的含量。通过裂解实验发现,烟叶中的某些氨基酸在加热时可产生HCN,是卷烟烟气中HCN的可能前体物,但实验没有明确指出哪些氨基酸会显著影响HCN的生成。为此,本文研究了HCN与16种游离态氨基酸之间的相关系数,并结合前人研究结果探讨卷烟主流烟气中氢氰酸的形成机理。烟叶游离态氨基酸与烟气氢氰酸释放量的相关性分析见表2。由表2知,16种氨基酸中有8种(苏氨酸、丙氨酸、苯丙氨酸、组氨酸、色氨酸、赖氨酸、精氨酸和脯氨酸)与卷烟主流烟气氢氰酸显著相关。16种氨基酸除亮氨酸与氢氰酸呈负相关外,其他氨基酸与氢氰酸均呈现正相关。8种有相关性的氨基酸中苏氨酸和赖氨酸在0.05水平正相关,另外6种氨基酸在0.01水平正相关,由于P都小于显著性水平0.05,因此具有显著的统计学意义。所有碱性氨基酸(包括精氨酸、组氨酸和赖氨酸)都与HCN释放量呈显著正相关,但是所有酸性氨基酸与HCN释放量都没有显著相关性。这可以用卷烟燃烧过程中氨基酸裂解生成HCN的机理来解释,裂解过程中氨基酸先历经去氨基和去羧基过程,两个氨基酸再结合形成哌嗪二酮,然后主要裂解形成亚胺(RCH==NH)(RCΗ=ΝΗ),亚胺经过脱氢作用形成烷基腈(RCH==N−)(RCΗ=Ν-)或经过脱烷基作用形成HCN。因此容易成环的氨基酸及本身含有环状结构或能够形成环状中间体的氨基酸是形成HCN的主要氨基酸。此外,烤烟中的碱性氨基酸与卷烟烟气中HCN显著正相关,这与HaidarNF等人的结论一致,这可能是由于碱性的赖氨酸分子中含氮量较高,或者赖氨酸裂解形成了嘧啶或哌啶等中间产物,这些中间产物都易形成HCN。杂环氨基酸(色氨酸和脯氨酸)与氢氰酸释放量都成显著正相关,这一结果与含氮环状化合物在高温裂解时能够产生大量HCN的结论是一致的,并且含氮杂环化合物包括哌嗪具有形成HCN的趋势也是众所周知的。除碱性氨基酸和杂环氨基酸外,还有三种氨基酸(苯丙氨酸、丙氨酸和苏氨酸)与氢氰酸释放量呈显著正相关。JohnsonWR等在1000℃氦气环境中裂解了丝氨酸、苯丙氨酸、甘氨酸、丙氨酸、亮氨酸和异亮氨酸6种氨基酸,研究结果发现裂解1mol上述氨基酸生成HCN的量依次为:0.45、0.43、0.32、0.12、0.08mol和0.08mol,这说明裂解丝氨酸、苯丙氨酸和丙氨酸都会产生较多的HCN,与本文的实验结果比较一致,且文献对色氨酸和苯丙氨酸裂解产生大量HCN的现象也无法作出推论,因此这两种氨基酸的裂解机理还需要进一步研究。在实验中苏氨酸与氢氰酸的相关系数为0.2736,而苏氨酸的含量代表苏氨酸和丝氨酸的含量之和,可以推断丝氨酸对该相关系数贡献较大。通过上述相关性系数分析,我们可以得出这样的结论,对卷烟主流烟气中HCN释放量起主要作用的氨基酸依次是:苯丙氨酸、色氨酸、组氨酸、丙氨酸、脯氨酸和丝氨酸。3.4回归模型的建立以16种氨基酸作自变量,氢氰酸作因变量,多元线性回归得到的方程如下:Y=153.327+371.221X1+8889.12X2-2282.36X3式中:Y——HCN含量,变量X1——苯丙氨酸含量,变量X2——胱氨酸含量,变量X3——缬氨酸含量。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(可著性=0.000,即P=0.000<0.05),回归数学模型系数的显著性也均小于0.05,因此此回归模型及所有系数都具有统计学意义。回归方程的相关系数r=0.7901,复相关系数r2=0.6242,这表示回归方程可以解释整个因变量变异程度的62.42%,由于复相关系数没有达到90%以上,说明还存在其他前体物会影响HCN的释放量,如蛋白质、烟碱等含氮化合物,该模型的复相关系数较低,用来预测HCN的释放量误差较大,因此需要综合考虑烟草中其它内源性物质的影响来建立模型。另外,通过回归方程分析发现,对HCN释放量影响较大的依次为苯丙氨酸、胱氨酸和缬氨酸。4其它前体物对hcn释放量的影响通过对60种单料烟烟叶中游离态氨基酸的变异分析表明,单料烟烟叶氨基酸的含量存在明显差异,16种氨基酸中有8种与氢氰酸的释放量呈显著正相关,其中包括所有碱性氨基酸和杂环氨基酸,另外苯丙氨酸、丙氨酸和苏氨酸也与氢氰酸呈显著正相关,所有酸性