煙草類型及貯藏環(huán)境對煙葉氮氧化物形成的影響

王俊，張夢玥，史宏志，靳彤，周駿，楊惠娟，白若石，張晨

1 河南農(nóng)業(yè)大學國家煙草栽培生理生化研究基地/煙草行業(yè)煙草栽培重點實驗室/煙草農(nóng)業(yè)減害研究中心，河南 鄭州450002；

2 上海煙草集團北京卷煙廠，北京100024

煙草類型及貯藏環(huán)境對煙葉氮氧化物形成的影響

王俊1，張夢玥1，史宏志1，靳彤1，周駿2，楊惠娟1，白若石2，張晨2

1 河南農(nóng)業(yè)大學國家煙草栽培生理生化研究基地/煙草行業(yè)煙草栽培重點實驗室/煙草農(nóng)業(yè)減害研究中心，河南 鄭州450002；

2 上海煙草集團北京卷煙廠，北京100024

為明確煙草類型及貯藏環(huán)境對煙葉氮氧化物形成的影響，利用真空干燥器設(shè)置了密閉的環(huán)境，檢測和分析了不同煙葉類型、貯藏溫度和時間及含水率條件下環(huán)境中氣態(tài)NOx（Nitrogen oxides）含量的差異。結(jié)果表明：貯藏過程中煙葉形成的氮氧化物以NO為主。相同的貯藏條件下，白肋煙產(chǎn)生的NOx濃度高出烤煙約9倍。當貯藏溫度從10℃提高到50℃，處理48 h 后白肋煙樣品產(chǎn)生的NO和NO2濃度逐漸升高。白肋煙經(jīng)過50℃貯藏2 h后，即可檢測出NOx，且隨著處理時間的延長NOx的濃度不斷增加。相同貯藏溫度下，含水率高于18%的煙葉產(chǎn)生的NO和NOx 濃度與含水率11.03%和12.29%相比顯著降低；煙葉隔離加入活性炭后，煙葉貯藏環(huán)境中的NOx濃度顯著降低。研究表明，貯藏環(huán)境控制可以抑制和減少煙葉本身氮氧化物的產(chǎn)生，從而減少貯藏過程中煙葉TSNA的形成。

煙葉；貯藏溫度；含水率；氮氧化物

氮氧化物（NOx）是自然界常見的一類化合物，已報道卷煙煙氣中主要存在三種氮氧化物：一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）和一氧化二氮（N2O），其中NO為主要成分[1-3]。煙氣中的NOx主要是由煙草中的硝酸鹽、亞硝酸鹽以及蛋白質(zhì)和氨基酸等經(jīng)高溫熱解而成[4-5]。NOx是卷煙煙氣中的主要有害成分之一，煙氣中的NO和NO2除了可以直接參與人機體內(nèi)的自由基代謝外[6]，還能與煙草生物堿反應(yīng)生成煙草特有亞硝胺（TSNAs）[7]。TSNAs是煙草生物堿發(fā)生亞硝化反應(yīng)生成存在于煙葉和煙氣中的致癌物質(zhì)，其形成和積累主要在煙葉的調(diào)制和貯藏過程中[8-9]，與NOx有密切的關(guān)系。調(diào)制過程中，煙葉暴露于微量的NOx即可生成TSNAs[10-11]；而明火烘烤能夠產(chǎn)生一定濃度的燃燒副產(chǎn)物NOx，明顯地促進煙葉烘烤過程中TSNAs的形成[2]。Saito等[12]的研究證明存儲在密封條件下的白肋煙通入低含量NO氣體后，TSNAs的增幅明顯。本課題組前期的研究表明，貯藏條件能夠影響煙葉TSNAs的形成，尤其是高溫貯藏后煙葉TSNAs的含量顯著提高，增加幅度與硝態(tài)氮含量[13-14]、貯藏溫度、煙葉含水率密切相關(guān)[15-16]，但關(guān)于貯藏過程中煙葉形成氮氧化物的研究鮮見報道，貯藏環(huán)境中NOx的產(chǎn)生量及與貯藏環(huán)境、煙葉硝態(tài)氮含量等的關(guān)系尚不清楚。為了明確煙葉類型以及貯藏環(huán)境對煙葉NOx形成的影響，本試驗利用玻璃真空干燥器設(shè)置了密閉的環(huán)境，分析了不同類型、貯藏溫度和時間以及含水率的煙葉產(chǎn)生NOx含量的差異，旨在進一步揭示煙葉貯藏過程中TSNAs的形成機理，為制定抑制煙葉貯藏過程中TSNAs形成的有效技術(shù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

所用煙葉為白肋煙TN86和烤煙中煙100，中部葉，分別產(chǎn)自四川達州和河南襄縣。將白肋煙和烤煙的煙葉去除主脈，分別切成煙絲混勻，待用。白肋煙和烤煙的含水率為13.4%，NO3-N的含量分別為1935μg/g 和 201μg/g。

1.2 試驗方法

1.2.1 烤煙和白肋煙貯藏過程中氮氧化物的形成

稱取白肋煙和烤煙各40 g分別放置在棕色真空玻璃干燥器（直徑20cm，下同）中，密封后置于50℃恒溫恒濕箱中，設(shè)置相對濕度60%，處理48 h。每個處理設(shè)置3個重復。處理后，采用烘箱干燥法[17]測定樣品的含水率為12.3%。

1.2.2 貯藏環(huán)境對白肋煙氮氧化物形成的影響

1.2.2.1 貯藏溫度對白肋煙氮氧化物形成的影響

分別稱取40 g白肋煙葉放在真空干燥器中，密封后，置于10℃、20℃、30℃、40℃、50℃恒溫恒濕箱中，設(shè)置相對濕度60%，處理48 h后，抽取干燥器中的氣體至集氣袋中測定氮氧化物濃度。每個處理設(shè)置3個重復。

1.2.2.2 貯藏時間對白肋煙氮氧化物形成的影響

稱取充分混勻后白肋煙樣品8個（40 g/個）放在真空干燥器中，密封后，置于50℃恒溫恒濕箱中分別處理 2 h、4 h、8 h、16 h、20 h、24 h、40 h、48 h 后，抽取干燥器中的氣體進行測定。每個處理設(shè)置3個重復。

1.2.2.3 煙葉含水率對白肋煙氮氧化物形成的影響

將白肋煙煙葉與飽和度分別為100%、60%和30%的K2CO3溶液，各200mL隔離放置于玻璃干燥器中，在24.5℃培養(yǎng)箱中處理4d后[15-16]，得到含水率差異明顯的煙葉。將已知低含水率（4.23%和6.20%）、中等含水率（11.03%和12.29%）和高含水率（18.17%和20.53%）的煙葉分別放置到真空干燥器中，密封置于30℃恒溫恒濕箱內(nèi)培養(yǎng)24 h后，抽取干燥器內(nèi)的氣體進行測定。每個處理設(shè)置3個重復。處理后，樣品的含水率平均減少了0.5%。

1.2.3 吸附材料對白肋煙氮氧化物形成的影響

稱取白肋煙葉40 g分別與2 g活性炭（AC,Activated carbon）和5 g納米二氧化硅（NS,Nanosilica）隔離放置在真空干燥器中，密封后置于30℃恒溫恒濕箱中處理48 h，抽取干燥器中的氣體進行測定。吸附材料使用前均置于100℃烘箱中活化30min。以不添加吸附材料的白肋煙為對照。每個處理設(shè)置3個重復。處理后，煙葉的含水率由13.4%降低到12.8%。

1.3 氮氧化物氣體（NOx）的測定

標準氣體的配置：采用Dynamic Gas Calibrator（動態(tài)氣體校正儀）（Model 146i；Thermo Scienti fi c，U.S.A.EPA）配氣裝置將標準NO氣體（N2保護；組分含量：69.8×10-6mol/mol；中國計量科學研究院/國家標準物質(zhì)研究中心）配置成低濃度（1×10-6）的NOx混合氣體，以空氣中的NOx含量作為零點。

測定方法：各個處理結(jié)束后，取出真空干燥器，連接真空泵[GAST，DOA-P504-BN；GAST Manufacturing，A Unit of Idex Corporation，（MICH）U.S.A.]抽取干燥器內(nèi)的氣體至集氣袋中，約25 s。拔掉集氣袋，使用NO-NO2-NOx 分析儀（Model 42i；Thermo Scientific，U.S.A.EPA；Reference method RFNA-1289 -074）利用化學發(fā)光的原理進行測定[18]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

運用Excel 2007、SPSS 20.0軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析、t檢驗以及線性和非線性方程擬合，采用Origin 8.5軟件進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 烤煙和白肋煙貯藏過程中氮氧化物的形成

將烤煙和白肋煙分別放在真空干燥器中，置于50℃處理48 h后測定氮氧化物的濃度見表1。高溫處理后，兩類煙葉產(chǎn)生的氮氧化物以NO為主，NO2的濃度較低。處理48 h后，白肋煙和烤煙煙葉產(chǎn)生的氮氧化物濃度差異明顯，其中白肋煙產(chǎn)生的NO和NOx濃度極顯著高于烤煙中的濃度（P＜0.01），約9倍，這可能與白肋煙樣品的NO3-N含量較高有密切的關(guān)系。

表1 不同的煙葉類型對氮氧化物形成的影響Tab.1 Effect of tobacco types on the formation of nitrogen oxides in tobacco leaves under 50°C for 48 h

2.2 貯藏條件對白肋煙氮氧化物形成的影響

2.2.1 溫度對白肋煙氮氧化物形成的影響

從圖1可以看出，隨著煙葉貯藏溫度從10℃增加到50℃，干燥器內(nèi)NO、NO2和NOx濃度均明顯增加，指數(shù)方程能較好地擬合NO和NOx對貯藏溫度的反應(yīng)（R2大于0.97）。白肋煙在50℃處理48 h后，干燥器內(nèi)NO的濃度達到3.28×10-6，為10℃處理的42倍。貯藏溫度為10℃到30℃，NO2的濃度差異不顯著，溫度升高到40℃時，NO2的濃度開始明顯增加。研究結(jié)果表明，高溫條件有利于煙葉中NO等氮氧化物的形成。

圖1 溫度對白肋煙煙葉氮氧化物氣體形成的影響Fig.1 Effect of temperature on the formation of nitrogen oxides in burley tobacco leaves

2.2.2 貯藏時間對白肋煙氮氧化物形成的影響

50℃條件下，密閉干燥器中的白肋煙葉經(jīng)過不同的貯藏時間后各處理氮氧化物的濃度見圖2。密閉的白肋煙樣品經(jīng)過50℃、2 h的處理后，干燥器內(nèi)NOx可以達到0.2×10-6。隨著貯藏時間的增長，煙葉樣品產(chǎn)生的NO和NOx濃度逐漸升高，處理超過20 h后NO和NOx濃度迅速增加，采用二項式方程能較好地擬合氮氧化物濃度隨著處理時間變化的關(guān)系（R2均大于0.9）。干燥器內(nèi)NO2的濃度較低，貯藏時間多于24 h 后，NO2的濃度才顯著提高（P＜0.05）。

圖2 貯藏時間對白肋煙煙葉氮氧化物氣體形成的影響Fig.2 Effect of storage time on the formation of nitrogen oxides in burley tobacco leaves under 50°C

2.2.3 煙葉含水率對白肋煙氮氧化物形成的影響

由表2可以看出，煙葉含水率從4.23%增加到6.20%，30℃處理24 h后，產(chǎn)生的NO和NOx 濃度有所降低。當煙葉含水率提高到11.03%和12.29%時，處理24 h后干燥器內(nèi)NO、NO2和NOx 濃度明顯增加，顯著高于4.23%和6.20%處理（P＜0.05）。而含水率高于18.17%以后，煙葉產(chǎn)生的NO和NOx 濃度呈下降趨勢，當煙葉含水率為20.53%時，干燥器中NOx的濃度與煙葉含水率4.23%和12.29%時相比分別降低了32%和57%，說明較高的含水率不利于煙葉中硝酸鹽或亞硝酸鹽產(chǎn)生NOx。

表2 白肋煙含水率對煙葉氮氧化物形成的影響Tab.2 Effect of moisture content on the formation of nitrogen oxides in burley tobacco under 30°C for 24 h

2.3 吸附材料對白肋煙氮氧化物形成的影響

將含水率13.4%的白肋煙煙葉與吸附材料隔離放置在真空干燥器中，置于30℃條件下處理48 h后，干燥器內(nèi)NOx濃度為0.37×10-6（圖3）。加入5 g納米二氧化硅后，NOx氣體的濃度顯著降低（P＜0.05），說明納米材料對煙葉產(chǎn)生的氮氧化物具有一定的吸附能力。當煙葉樣品與2 g的活性炭隔離放置48 h后，干燥器中NO和NOx的濃度顯著低于其它兩個處理（P＜ 0.05），NOx降低到0.017×10-6，與對照相比降低了95%，處理間NO2的變化不顯著。

圖3 吸附材料對白肋煙氮氧化物形成的影響Fig.3 Effect of indirect addition of absorption material and tobacco on nitrogen oxides formation in a closed system from burley tobacco

3 討論

試驗結(jié)果表明，煙葉中產(chǎn)生的氮氧化物以NO為主，占90%以上，與卷煙煙氣中的組成一致[6]。煙氣中的NOx大部分來源于煙絲中的硝態(tài)氮（NO3-N）[5]，添加硝酸鹽后卷煙煙氣中NOx的釋放量明顯升高[19]。本試驗白肋煙葉經(jīng)50℃高溫處理48 h后，干燥器內(nèi)NO和NOx濃度為烤煙的9倍左右，這與白肋煙具有較高的NO3-N含量密切相關(guān)。本試驗中選擇的5個溫度值（10℃、20℃、30℃、40℃、50℃）充分考慮了煙葉的實際貯藏條件，夏季氣溫略高于30℃，而煙葉貯藏溫度可以高達45℃以上。將白肋煙樣品置于不同處理溫度下，煙葉產(chǎn)生的NO、NO2和NOx濃度均隨著溫度的升高而明顯增加，50℃處理后NO的濃度與對照10℃相比增加了42倍，說明高溫能夠促進煙葉NOx的形成。為了更明顯的觀測貯藏時間對煙葉NOx形成的影響，我們將煙葉放置在50℃下貯藏，隨著高溫貯藏時間的延長，煙葉NOx濃度明顯升高，說明處理過程中煙葉可以不斷的產(chǎn)生氮氧化物。有關(guān)煙葉長期自然貯藏過程中氮氧化物的形成情況有待于進一步研究。

本研究中，為了更貼近煙葉實際貯藏溫度，減少處理過程中煙葉含水率的損失，分別將含水率設(shè)定為高、中、低的3組煙葉在30℃處理24 h。結(jié)果表明，含水率20.53%的煙葉產(chǎn)生的NOx濃度最低，與TSNAs隨含水率的變化規(guī)律基本吻合[20]。隔離加入活性炭和納米二氧化硅后，煙葉產(chǎn)生的NO和NOx濃度顯著下降（P＜0.05），其對TSNAs影響的研究正在進行中。

4 結(jié)論

相同的貯藏條件下，白肋煙葉產(chǎn)生的氮氧化物濃度顯著高于烤煙。在10℃到50℃范圍內(nèi)，白肋煙樣品產(chǎn)生NO和NO2的濃度隨著貯藏溫度的提高而明顯增加；且隨著高溫貯藏時間的延長，煙葉產(chǎn)生NOx的濃度不斷增加。煙葉含水率高于18%時可以抑制NOx的形成，加入活性炭可以降低煙葉周圍的NOx濃度。

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E ff ect of storage environment on nitrogen oxides formation in leaves of tobacco of di ff erent types

WANG Jun1,ZHANG Mengyue1,SHI Hongzhi1,JIN Tong1,ZHOU Jun2,YANG Huijuan1,BAI Ruoshi2,ZHANG Chen2
1 National Tobacco Cultivation & Physiology & Biochemistry Research Center,Henan Agricultural University/Key Laboratory of Tobacco Cultivation / Tobacco Harm Reduction Research Center,Zhengzhou 450002,China;
2 Beijing Cigarette Factory,Shanghai Tobacco Group,Beijing 100024,China

In order to study the e ff ect of storage environment on nitrogen oxides(NOx)formation from tobacco leaves,content of NOx in airtight environment set up by vacuum desiccator was measured for di ff erent tobacco types,storage temperatures and duration at di ff erent moisture contents.Results showed that NO accounted for more than 90% of the NOx produced from tobacco leaves during storage.NOx concentration from burley tobacco leaves was almost 9 times higher than that from flue-cured tobacco under same storage conditions.As storage temperature increased from 10°C to 50°C,the concentration of NO and NO2produced from burley tobacco increased gradually 48h after treatment.NOx could be produced in burley tobacco samples in a short period of time(2h)under 50℃,and increased with increase of storage time.Under the same storage temperature,NO and NOx concentrations of tobacco leaves with moisture content higher than 18% were signi fi cantly lower than samples with moisture content of 11.03% and 12.29%.Presence of activated carbon in storage containers e ff ectively reduced the concentration of NOx.It was concluded that proper control of storage environment is an e ff ective way to reduce TSNA formation in tobacco leaves by inhibiting and reducing production of NOx from tobacco itself.

tobacco leaf; storage temperature; tobacco moisture content; nitrogen oxides

王俊，張夢玥，史宏志，等.煙草類型及貯藏環(huán)境對煙葉氮氧化物形成的影響[J].中國煙草學報，2017,23（5）

國家煙草專賣局減害重大專項項目：110201301022（JH-03）

王 ?。?985—），博士研究生，主要從事煙草栽培生理研究，Email：wangj921@163.com

史宏志（1963—），教授，博士生導師，主要從事煙草栽培生理研究，Email：shihongzhi88@163.com

2017-01-09；< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期：

日期：2017-10-13

：WANG Jun,ZHANG Mengyue,SHI Hongzhi,et al.E ff ect of storage environment on nitrogen oxides formation in leaves of tobacco of di ff erent types[J].Acta Tabacaria Sinica,2017,23(5)

*Corresponding author.Email：shihongzhi88@163.com