基于MINE 算法的烤煙含氮化合物與HCN 關(guān)系分析

薛寶燕，郭東鋒，邵伏文，劉炎紅，郭建，裴洲洋

(1.安徽省煙草專賣局(公司)煙葉管理處，安徽 合肥 230022；2.安徽中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，安徽 合肥230088；3.安徽皖南煙葉有限責(zé)任公司，安徽 宣城 242000)

大量研究表明，卷煙主流煙氣中的氫氰酸是煙葉中含氮化合物通過燃燒裂解產(chǎn)生的[1–3]，氫氰酸的釋放受到煙葉原料產(chǎn)地、部位、年份等[4–5]的影響，卷煙的溫度平衡時間[6]、輔材[7]、配方打葉[8]、工藝參數(shù)[9]、化學(xué)添加劑[10–11]、抽吸方式[12]等對氫氰酸的釋放也有較大影響，所以，氫氰酸釋放量的大小復(fù)雜而多變。圍繞主流煙氣釋放研究，運(yùn)用統(tǒng)計學(xué)、數(shù)據(jù)挖掘或機(jī)器學(xué)習(xí)等手段[13–14]研究了焦油、氫氰酸、一氧化碳等煙氣成分。MINE (maximal information-based nonparametric exploration)是2011年由David N. Reshef 等[15]研究開發(fā)的一種探索連續(xù)型變量間關(guān)系的新算法，目前在煙草科研中鮮有應(yīng)用。筆者擬以氫氰酸與煙葉中主要含氮化合物的關(guān)系疏密為研究對象，運(yùn)用MINE 算法探索氫氰酸與含氮化合物之間的關(guān)系，以期為卷煙“減害降焦”提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料

選取2012年度貴州(興義、貴陽)，遼寧鳳城，云南(大理、石林、玉溪)，江西贛州，陜西(商洛、安康)，湖南(鳳凰、桂陽、寧鄉(xiāng))，河南(宜陽、三門峽)，廣西百色，湖北宜昌，安徽宣城，重慶黔江濯水，福建南平，四川涼山煙區(qū)的B2F、C3F、X2F共計60個樣品，采用統(tǒng)一輔材進(jìn)行單料煙的卷制。

1.2 檢測方法

1.2.1 煙氣氫氰酸檢測

按照YC/T 403—2011 測定煙樣氫氰酸。

1.2.2 煙葉化學(xué)成分的測定

氨基酸含量的測定按照YC/T 282—2009 進(jìn)行； 總氮及煙堿的測定按照YC/T 160—2002 和YC/T 161—2002 進(jìn)行；煙葉硝酸根離子和蛋白質(zhì)含量測定分別參照文獻(xiàn)[16]和[17]方法進(jìn)行。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)整理在Microsoft Excel 中進(jìn)行，統(tǒng)計分析及作圖在R3.1 開源軟件平臺進(jìn)行。采用拉依達(dá)(PauTa)準(zhǔn)則(3σ 準(zhǔn)則)對數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗整理，對整理后出現(xiàn)的缺失值采取KNN(最近鄰法)進(jìn)行補(bǔ)缺。HCN 與含氮化合物間相關(guān)分析采用皮爾遜(Pearson)相關(guān)分析法。MINE 算法在R3.1 開源軟件平臺實(shí)現(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

對煙葉中氫氰酸以及主要含氮化合物和氨基酸含量的統(tǒng)計描述列于表1。氫氰酸含量變幅為154～316mg/支，數(shù)據(jù)形態(tài)呈現(xiàn)出右偏態(tài)尖頂峰，變異系數(shù)達(dá)16.43%，數(shù)據(jù)分布較為離散；煙葉中硝酸根離子變異系數(shù)為52.10%，變異較大，數(shù)據(jù)形態(tài)呈現(xiàn)出右偏態(tài)平頂峰，變幅在0.004 8%～0.068 2%，數(shù)據(jù)分布離散較大；煙葉中總氮和蛋白質(zhì)變異系數(shù)均在15%以下，總氮變幅在1.14%～2.09%，蛋白質(zhì)變幅在3.74%～6.49%，數(shù)據(jù)分布相對集中；煙堿含量變異系數(shù)33.70%，變幅在1.13%～3.94%，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出右偏態(tài)平頂峰，數(shù)據(jù)分布較為離散；氨基酸含量變異廣泛，除亮氨酸變異系數(shù)為19.17%外，其余氨基酸變異系數(shù)均超過了20%，其中蘇氨酸、谷氨酸、丙氨酸、纈氨酸、蛋氨酸、色氨酸、賴氨酸、脯氨酸和氨基酸總量變異在20%～50%，而天冬氨酸、甘氨酸、半胱氨酸、異亮氨酸、絡(luò)氨酸、苯丙氨酸、組氨酸和精氨酸變異系數(shù)均超過了50%，氨基酸含量在煙葉中存在較大變異，數(shù)據(jù)離散程度較高。

表1 烤煙煙葉氫氰酸與含氮化合物含量統(tǒng)計描述 Table 1 Statistical description for HCN yields and contents of nitrogen compositions of flue-cured tobacco leaf

表1 (續(xù))

對氫氰酸與主要含氮化合物及氨基酸總量進(jìn)行簡單相關(guān)分析，結(jié)果見圖1。氫氰酸與煙葉中總氮、煙堿、蛋白質(zhì)、氨基酸總含量呈顯著正相關(guān)，與氮堿比呈顯著負(fù)相關(guān)。圖2 表明，氫氰酸釋放量與丙氨酸、半胱氨酸、絡(luò)氨酸、組氨酸、色氨酸和精氨酸呈顯著正相關(guān)。說明氫氰酸釋放不僅與含氮化合物總量相關(guān)，而且與含氮化合物的種類也存在密切關(guān)系。

由于相關(guān)分析只能簡單描繪2個變量間關(guān)系的疏密程度，并能嚴(yán)格定義變量間的因果邏輯關(guān)系，因此，為了進(jìn)一步探討氫氰酸與煙葉中含氮化合物的關(guān)系，采取MINE 算法對2組變量間的關(guān)系進(jìn)一步探索。

圖1 氫氰酸與主要含氮化合物相關(guān)分析矩陣 Fig.1 Scatterplot matrix between HCN and main nitrogen compositions

圖2 氫氰酸與氨基酸相關(guān)分析矩陣 Fig.2 Scatterplot matrix between HCN and amino acids in flue-cured tobacco

MINE 算法作為近年來新開發(fā)的應(yīng)用于研究連續(xù)型變量關(guān)系的算法，其主要評價指標(biāo)MIC 具有廣泛性和較強(qiáng)的抗干擾能力，可以遍歷探索2個連續(xù)變量間的關(guān)系，且不局限于線性關(guān)系，還可以探索非線性關(guān)系，甚至是多重函數(shù)疊加的復(fù)雜關(guān)系[15,18]。

為了進(jìn)一步考察氫氰酸釋放量與煙葉中含氮化合物的親疏關(guān)系，在R 開源軟件平臺對氫氰酸與含氮化合物之間的關(guān)系進(jìn)行了分析，結(jié)果見表2。從MINE 信息提取結(jié)果MIC 指標(biāo)(反映HCN 和含氮化合物之間關(guān)系強(qiáng)弱[15])來看，總氮/煙堿與HCN 關(guān)系達(dá)0.001 顯著水平，關(guān)系最為密切；其次為總氮、煙堿、蛋白質(zhì)，均達(dá)到0.05 顯著水平；與HCN 關(guān)系密切的氨基酸包括半胱氨酸、精氨酸以及谷氨酸，其他氨基酸與HCN 關(guān)系親疏程度不同，但是并未達(dá)到顯著水平(在樣本容量n=60 條件下)?？梢钥闯觯琀CN 主要與煙葉中的總氮、煙堿、蛋白質(zhì)以及氨基酸(半胱氨酸、谷氨酸、精氨酸)關(guān)系最為密切。

煙葉中的總氮、蛋白質(zhì)是HCN 生成的主要來源。本研究結(jié)果表明，HCN 與煙葉常規(guī)化學(xué)成分中總氮、煙堿存在顯著的關(guān)系，這與黃朝章等[19]的研究結(jié)論一致。總氮包含成分多，從具體含氮化合物單體來看，煙堿對HCN 的形成有直接影響，氨基酸中的半胱氨酸、谷氨酸、精氨酸對煙氣成分中的HCN 有直接作用；王晶等[17]研究認(rèn)為，所有堿性氨基酸和雜環(huán)氨基酸都與氫氰酸呈顯著正相關(guān)，所有酸性氨基酸與氫氰酸都沒有顯著相關(guān)性，同時還認(rèn)為對煙草主流煙氣中氫氰酸釋放量起主要作用的氨基酸依次是苯丙氨酸、色氨酸、組氨酸、丙氨酸、脯氨酸和絲氨酸，這與本研究結(jié)論有一定差異。這可能是對于數(shù)據(jù)分析所采用的方法不同所致，另一方面筆者傾向于認(rèn)為相關(guān)關(guān)系僅能表達(dá)變量間關(guān)系疏密，但是從邏輯推演上來看，因果邏輯關(guān)系尚需要回歸等參數(shù)或非參數(shù)方法支撐。由于煙葉中含氮化合物種類、含量的差異性，以及受數(shù)據(jù)分布形態(tài)、統(tǒng)計方法的運(yùn)用等影響，針對含氮化合物單體的研究也不排除其他研究結(jié)果或結(jié)論的可靠性。

表2 基于MINE 算法的氫氰酸與含氮化合物關(guān)系信息提取 Table 2 Extracted information for the relationship between HCN and nitrogen compositions based on MINE algorithm

3 小結(jié)與討論

氫氰酸是卷煙煙氣中7 種有害成分之一，對卷煙的危害性指數(shù)有著重要的影響。對氫氰酸和煙葉中主要含氮化合物的相關(guān)分析表明，主流煙氣中的氫氰酸與煙葉中的總氮、煙堿、蛋白質(zhì)、氨基酸總含量以及游離氨基酸中的丙氨酸、半胱氨酸、絡(luò)氨酸、組氨酸、色氨酸和精氨酸呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與氮堿比呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。運(yùn)用MINE 算法考察氫氰酸與主要含氮化合物的關(guān)系表明，氫氰酸與總氮、煙堿、蛋白質(zhì)以及氨基酸關(guān)系最為密切。

綜合分析認(rèn)為，煙氣中氫氰酸的釋放量與煙葉中的總氮關(guān)系最為密切，同時氫氰酸的釋放還與蛋白質(zhì)、游離氨基酸中的特定氨基酸(總量、半胱氨酸、谷氨酸、精氨酸)高度相關(guān)，與鄭宏偉等[20]研究天門冬氨酸的裂解行為結(jié)論有相似之處。

由于氫氰酸是卷煙在700～1 000℃燃燒時產(chǎn)生的，而卷煙燃燒又受輔材、配方、燃燒狀態(tài)等的影響，煙葉中的含氮化合物還包括葉綠素、TSNAs、氨、酰胺等重要化合物，對這些化合物還需要進(jìn)一步跟蹤檢測。MINE 算法雖可以得出氫氰酸與含氮化合物的關(guān)系親疏，但是其具體函數(shù)或非函數(shù)關(guān)系需要進(jìn)一步探索研究，由于本研究所用方法為機(jī)器學(xué)習(xí)MINE 算法，與傳統(tǒng)線性分析略有不同，因此，該方法的進(jìn)一步拓展應(yīng)用尚需要更深入的實(shí)踐和研究。

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