煙氣中HCN主要前體成分研究

夏巧玲，王洪波，郭吉兆，謝復煒，顏權平，劉克建，劉惠民

中國煙草總公司鄭州煙草研究院 鄭州450001

煙草與煙氣化學

煙氣中HCN主要前體成分研究

夏巧玲，王洪波，郭吉兆，謝復煒，顏權平，劉克建，劉惠民

中國煙草總公司鄭州煙草研究院 鄭州450001

為確定煙氣中氰化氫的主要來源，采用卷煙模擬燃吸裝置研究了卷煙煙氣中氰化氫的前體成分，明確了前體成分與氰化氫釋放量的量效關系。結果表明：煙氣中氰化氫的主要前體成分為蛋白質(zhì)、脯氨酸和天冬酰胺，它們對煙氣中氰化氫的貢獻率分別為85.13%、3.55%和1.59%；煙氣中氰化氫釋放量隨著前體成分含量在一定范圍內(nèi)呈正線性相關關系。

煙氣；HCN；蛋白質(zhì)；脯氨酸；天冬酰胺；量效關系

隨著人們對煙氣中有害物質(zhì)認識的深入，煙氣中有害成分受到越來越多的關注，許多國家政府紛紛制訂相應的管制法規(guī)，更加嚴格地限制卷煙煙氣中有害成分的釋放量。目前降低煙氣中有害成分是煙草行業(yè)減害降焦研究領域的熱點。氰化氫已被列入多份煙氣有害成分清單[1-4]，是大家公認的煙氣有害成分，是卷煙主流煙氣中代表性有害成分之一[5]。要降低煙氣中氰化氫就必須弄清楚其前體成分以及二者的量效關系。

從上世紀六十年代，國外就開始研究煙氣中氰化氫的前體成分，認為卷煙煙氣中的氰化氫主要來源于煙草中的含氮化合物[6-11]。Heyns等[6]研究了甘氨酸和丙氨酸的裂解產(chǎn)物，認為在310℃和340℃下甘氨酸和丙氨酸裂解可以產(chǎn)生氰化氫；Patterson等[7]研究賴氨酸的裂解行為，發(fā)現(xiàn)在850℃下賴氨酸的裂解產(chǎn)物含有氰化氫；Johnson等[8]采用Py-GC方法研究700～1000℃下不同結構的氨基酸裂解行為，認為不同結構的氨基酸裂解生成氰化氫的量有較大差異，且氰化氫的釋放量隨溫度的升高而增加，對于氨基丁酸而言，氨基位置對氰化氫釋放量影響順序為：γ＞＞β＞α，對于環(huán)狀氨基酸，脯氨酸和4-羥脯氨酸的釋放量最高。此外，胡立中等[12]研究了煙草含氮化合物對卷煙主流煙氣中氰化氫釋放量的影響，認為蛋白質(zhì)、氨基酸、揮發(fā)堿、硝酸鹽及含氮雜環(huán)化合物為煙氣中HCN的重要前體物。從以往文獻研究來看，總體而言，由于商品化的實驗裝置或熱裂解裝置與煙草實際燃燒條件差異大，樣品量小、燃吸氣氛單一、難以進行準確定量等原因，研究結論存在相互矛盾之處。且對于前體成分與氰化氫釋放量之間的準確量效關系尚缺乏報道。

本文采用卷煙模擬燃吸實驗裝置[13]研究了煙草中蛋白質(zhì)、8種氨基酸、草酸銨和硝酸鈣等前體成分對氰化氫釋放量的影響，確定了煙氣中氰化氫主要前體成分，考察了前體成分與氰化氫二者之間的量效關系，可為卷煙產(chǎn)品減害研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 儀器、試劑與材料

儀器：卷煙模擬燃吸裝置（自行設計）[13]；連續(xù)流動分析儀（AA3，德國Seal公司）；CP-224S型電子天平（德國Sartorius公司，感量0.0001 g）；Milli-Q超純水儀（美國Millipore公司）；振蕩器（常州國華電器有限公司）。

試劑（均為分析純）：氫氧化鈉、1,3-二甲基巴比妥酸、鄰苯二甲酸氫鉀（美國百靈威公司），甘氨酸、丙氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、脯氨酸、天冬氨酸、天冬酰胺、絲氨酸、硝酸鈉、硝酸鈣、乙酸銨、草酸銨、檸檬酸銨和蛋白質(zhì)（≥98%，比利時ACROS 公司），氰根標準溶液（50mg/L,中國計量科學研究院）。

材料：烤煙型煙絲(紅塔煙草集團有限責任公司技術中心研制)。

1.2 實驗方法

1.2.1 卷煙模擬燃吸實驗方法

采用研制的卷煙燃吸模擬裝置進行卷煙模擬燃燒實驗，稱取0.1 g煙絲樣品于燃燒燃吸管中，以混合氣（氧氣/氮氣比9%）為載氣（流量17.5 mL/s），以100℃/s從初溫40℃升溫到900℃，保持5 s；燃吸產(chǎn)物用44 mm劍橋濾片和30 mL 0.1mol/L氫氧化鈉水溶液進行捕集。

1.2.2 裂解產(chǎn)物中HCN分析

捕集后的樣品，劍橋濾片加入30 mL 0.1 mol/L NaOH溶液震蕩萃取30 min，取5 mL用0.45 μm微膜過濾后備用；吸收液轉(zhuǎn)移至50 mL容量瓶中，洗滌后定容至50 mL，搖勻備用。上述制備液用YC/T 253-2008（卷煙 主流煙氣中氰化氫的測定 連續(xù)流動法）[14]方法進行HCN含量測定，然后計算HCN的釋放量。

2 結果與討論

2.1 煙草中氰化氫前體成分純品的模擬燃吸實驗研究

按照實驗方法對煙草中14種含氮化合物進行純品模擬燃吸產(chǎn)生HCN實驗，結果見表1，考察不同含氮化合物模擬燃吸條件下生成HCN的量。

表1 含氮化合物純品模擬燃吸生成HCNTab.1 Nitrogen compounds in smoking simulation process of producing HCN

續(xù)表1

從表1可以看出，蛋白質(zhì)、絲氨酸、檸檬酸銨、天冬酰胺、天冬氨酸、甘氨酸和草酸銨等前體成分模擬燃吸實驗中均可產(chǎn)生HCN。對于氨基酸而言，Johnson[8]的研究認為氨基酸分子間或分子內(nèi)可發(fā)生脫水反應，生成不穩(wěn)定的中間體，該中間體高溫裂解脫氫生成HCN；直鏈結構較支鏈結構的氨基酸分子易發(fā)生分子間或分子內(nèi)脫水，使得直鏈結構的氨基酸易發(fā)生裂解反應形成HCN。對于蛋白質(zhì)而言，其主要由α-氨基酸按一定順序結合形成的肽鏈構成，高溫下肽鏈斷鏈，形成多肽化合物，多肽鏈再進行斷裂形成腈類化合物和CO，腈類化合物與氫自由基反應，最后形成HCN。

2.2 煙草基質(zhì)對前體成分裂解氰化氫的影響

以烤煙煙絲為基質(zhì)，按照實驗方法進行前體成分添加模擬燃吸實驗，考察煙草基質(zhì)對前體成分模擬燃吸生成氰化氫的影響，結果見表2。

表2 基質(zhì)對前體成分裂解產(chǎn)生氰化氫的影響Tab.2 Effects of tobacco base substance on the production of HCN in the pyrolysis of different precursors

從表2可以看出，蛋白質(zhì)、絲氨酸、檸檬酸銨、脯氨酸、天冬酰胺、乙酸銨、草酸銨、硝酸鈣、丙氨酸、天冬氨酸、亮氨酸、甘氨酸和異亮氨酸純品和加入煙絲基質(zhì)兩種模式下模擬燃吸后均產(chǎn)生HCN，表明其均為煙氣中HCN的前體成分。其中，脯氨酸、天冬氨酸、乙酸銨、草酸銨、硝酸鈣、丙氨酸、天冬酰胺、亮氨酸、甘氨酸和異亮氨酸等前體成分加入到煙絲基質(zhì)中后，其模擬燃吸后氰化氫的轉(zhuǎn)化率升高，說明煙草基質(zhì)對這9種前體成分模擬燃吸生成氰化氫具有正影響；而蛋白質(zhì)、絲氨酸、檸檬酸銨和硝酸鈉等前體成分加入到煙絲基質(zhì)中，其模擬燃吸后氰化氫的轉(zhuǎn)化率降低，說明煙草基質(zhì)對這4種前體成分模擬燃吸生成氰化氫具有負影響。表明煙草中氰化氫前體成分含量的變化對煙氣中氰化氫釋放量影響具有差異。

2.3 氰化氫主要前體成分的篩選

由于煙草中各種前體成分的含量差異較大，采用固定加入量的方法對前體成分進行篩選。將10 mg前體成分添加到100 mg煙絲基質(zhì)中進行模擬燃吸實驗，分析燃吸產(chǎn)物中HCN的釋放量，計算煙絲中前體成分的燃吸量和貢獻率，結果見表3。

表3 HCN主要前體成分的篩選結果Tab.3 Screening results of main precursors of HCN

由表3中可以看出，在選擇的各種前體成分中，單位質(zhì)量甘氨酸產(chǎn)生的HCN最多，每克甘氨酸產(chǎn)生HCN達到44.14 mg，其次是天冬酰胺。根據(jù)煙絲中前體成分的含量及在煙草基質(zhì)下HCN的釋放量，可以估算出各前體成分對煙氣中HCN釋放量的貢獻值，結果表明：所選擇的前體成分對煙絲燃吸釋放HCN的貢獻率之和達煙絲燃吸釋放量的85.5%，表明所選擇的前體成分能夠代表煙絲中HCN的主要前體成分；由于蛋白質(zhì)、脯氨酸、天冬酰胺對煙絲燃吸釋放HCN的貢獻較大，表明煙草中蛋白質(zhì)、脯氨酸和天冬酰胺化合物為HCN的主要前體成分。

2.4 前體成分的卷煙添加實驗研究

以烤煙煙絲和混合型煙絲為基質(zhì)，選擇脯氨酸和天冬酰胺分別加入烤煙型和混合型卷煙中（由于蛋白質(zhì)難以溶解，未進行卷煙加入實驗研究），然后按照YC/T 253-2008[14]和YC/T 350-2010[15]方法分別測定實驗卷煙主流煙氣和側(cè)流煙氣中HCN釋放量，研究前體成分添加量與主流煙氣和側(cè)流煙氣中HCN的增加量效關系，結果見圖1～圖4。

圖1 卷煙添加脯氨酸與主流煙氣HCN的增加量之間的量效關系Fig.1 Dose-effect relationship between proline additive amount and HCN delivery in mainstream cigarette smoke

圖2 卷煙添加天冬酰胺與主流煙氣HCN的增加量之間的量效關系Fig.2 Dose-effect relationship between asparaginate additive amount and HCN delivery in mainstream cigarette smoke

圖3 卷煙添加脯氨酸與側(cè)流煙氣HCN的增加量之間的量效關系Fig.3 Dose-effect relationship between proline additive amount and HCN delivery in sidestream cigarette smoke

圖4 卷煙添加天冬酰胺與側(cè)流煙氣HCN的增加量之間的量效關系Fig.4 Dose-effect relationship between asparaginate additive amount and HCN delivery in sidestream cigarette smoke

從圖1～圖4可以看出，無論是主流煙氣還是側(cè)流煙氣，在其他條件不變情況下，隨著脯氨酸和天冬酰胺添加量的增加，HCN釋放量的增加量也逐漸增加，二者呈線性關系，且決定系數(shù)R2均大于0.98，表明：脯氨酸和天冬酰胺是煙氣中氰化氫的前體成分，且與煙氣中氰化氫釋放量具有顯著正相關關系。

3 結論

采用卷煙模擬燃吸裝置考察了煙草中主要含氮類化合物對煙氣中氰化氫釋放量的影響，研究認為煙草中的蛋白質(zhì)、脯氨酸和天冬酰胺為煙氣中氰化氫的主要前體成分。通過主要前體成分卷煙添加實驗研究了前體成分與煙氣中氰化氫釋放量關系，結果進一步表明煙草中的脯氨酸和天冬酰胺為煙氣中氰化氫的主要前體成分，且主要前體成分與氰化氫二者之間具有正相關關系。

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Study of important precursors of hydrogen cyanide in cigarette smoke

XIA Qiaoling，WANG Hongbo，GUO Jizhao，XIE Fuwei，YAN Quanping，LIU Kejian，LIU Huimin
Zhengzhou Tobacco Research Institute of China National Tobacco Company,Zhengzhou 450001,China

A smoking simulator of rapid heating was bulit to study precursors of hydrogen cyanide in cigarette smoke,which helped identify the dose-effect relationship between the precursors and HCN delivery.Results showed that the main precursors were protein,proline and asparagine amide with contribution rate to HCN delivery being 85.13%，3.55% and 1.59%respectively,presenting a positive linear correlationship between HCN delivery and the precursors.

cigarette smoke; HCN; protein; proline; asparagine amide; dose-effect relationship

10.3969/j.issn.1004-5708.2014.05.001

TS411 文獻標志碼：A 文章編號：1004-5708（2014）05-0001-05

國家煙草專賣局卷煙減害技術重大專項“卷煙煙氣中氨和氰化氫形成機理研究”（110200902002）和“卷煙煙氣中酚類化合物形成機理研究”（110200902001）

夏巧玲（1962—），高級工程師，主要從事煙草和煙氣化學成分分析等方面研究工作，Email：xiaql@ztri.com.cn

劉惠民（1963—），研究員，主要從事煙草化學、減害降焦、煙用材料安全性等方面研究工作，Email：liuhm@ztri.com.cn

2013-09-03