水溶性糖對卷煙煙氣焦油和醛類等有害成分的影響研究綜述

陳斌，徐瑋杰，湯朝起*，王磊，劉鵬，隋相軍，王金明

1 上海煙草集團有限責任公司技術中心，上海市浦東新區(qū)秀浦路3733 號 201315；

2 山東煙葉復烤有限公司，山東省濟南市高新區(qū)龍奧北路1067 號 250101

糖類物質是煙葉主要化學成分之一，且通常是含量最大的成分[1]。煙葉中的糖主要包括葡萄糖、果糖、蔗糖等小分子水溶性糖，以及淀粉、纖維素、果膠等多糖[2-3]。通常所說的煙草總糖就指的是水溶性糖。水溶性糖是影響煙草吸味的最重要的化學成分之一[4-5]，并且在煙草加工過程中，多種水溶性糖或含有水溶性糖的料液會被添加到煙葉或煙絲中，以用于改善卷煙吸味或用作保潤劑等[6-7]。水溶性糖作為煙葉最重要的化學成分之一和最常用的添加劑[8-9]，在發(fā)揮其有益效果的同時，還應當關注其對卷煙煙氣有害成分的影響。這對于全面認識水溶性糖正反兩方面的作用，具有十分重要的意義。

卷煙煙氣包含7000 多種化學成分[10]，其中有害成分的比例很小，但種類卻很多，而且多存在于焦油中，因此通常以煙氣焦油量的多少作為代表煙氣危害性大小的指標之一[11-12]。但長期以來，關于水溶性糖對煙氣焦油量的影響及關系問題，一直是國內煙草行業(yè)一個富有爭議的話題。另外，在水溶性糖的諸多熱解產(chǎn)物中，醛類成分（甲醛、乙醛、丙烯醛等）是最受關注的煙氣有害成分之一[13-14]，其中乙醛不僅直接對人體產(chǎn)生危害，還被認為會和煙堿共同作用，增加吸煙成癮性[15-17]。幾十年來，在卷煙中加糖是否會導致煙氣中醛類成分的增加這類課題也進行大量研究[8,18-24]。本文著重對水溶性糖（包括內源糖和外加糖）含量與卷煙煙氣焦油量、醛類成分釋放量的關系進行了梳理和綜述，以期能準確理解水溶性糖對煙氣有害成分的影響，為水溶性糖的科學使用提供參考。

1 水溶性糖對卷煙煙氣焦油量的影響

1.1 煙葉內源水溶性糖含量對煙氣焦油量的影響

表1 引用文獻共18 篇，國外文獻有左天覺在美國農(nóng)業(yè)部主持的一項里程碑式的研究報告[25]，國內文獻包含《中國煙草學報》《煙草科技》《中國煙草科學》（統(tǒng)稱“煙草三刊”）從1980 年代以來發(fā)表的關于煙葉內源水溶性糖含量與煙氣焦油量關系研究的文章共計13 篇[26-32,36-41]，以及發(fā)表在“煙草三刊”之外的引用率較高、影響力較大的4 篇文章[33-35,42]。

表1 煙葉內源水溶性糖含量與煙氣焦油量的相關性Tab.1 Correlation between endogenous water-soluble sugar content in tobacco leaves and tar contents in mainstream smoke

表1 可知，無論是同一產(chǎn)地同一部位等級的煙葉樣品[36-38]，還是同一產(chǎn)地不同部位等級的煙葉樣品[25,29-30,35,41-42]、不同產(chǎn)地同一部位等級的煙葉樣品[26-27,33]、不同產(chǎn)地不同部位等級的煙葉樣品[28,31-32,34,39-40]，煙葉水溶性糖含量與煙氣焦油量之間都無明顯相關性或呈負相關關系。因此，可以認為，煙葉內源水溶性糖含量對煙氣焦油量影響較小或呈負面影響。但需要說明的是，該結論僅是根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結果得出，而該類研究中，煙葉內源糖含量并不是唯一的變量，數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結果受很多混雜因素的影響。

進一步的研究表明[26-27,36,39-40,42]，與水溶性糖相比，煙葉的煙堿、總氮及鉀含量是對煙氣焦油量影響更大的因素，其中，煙葉的煙堿、總氮含量與煙氣焦油量呈顯著或極顯著的正相關關系，鉀含量與煙氣焦油量呈顯著或極顯著的負相關關系。

1.2 外加水溶性糖對卷煙煙氣焦油量的影響

關于外加水溶性糖（單因素）對卷煙煙氣焦油量的影響研究，國內外都鮮見專題報道。表2 列出了近幾十年來引用率較高、影響力較大的4 篇文章[43-46]。

表2 外加水溶性糖對煙氣焦油量的影響Tab.2 Effect of adding water-soluble sugar on tar content in mainstream smoke

Shelar 等[43]研究了外加葡萄糖、果糖和蔗糖對白肋煙煙氣指標和感官質量的影響（表2 中序號1～6），所有卷煙樣品均為采用相同輔材制作的無濾嘴卷煙，控制煙支的硬度基本一致。結果顯示，大部分加糖樣品的焦油量高于相應的對照樣品，但焦油量的變化沒有規(guī)律，不會隨加糖量的升高而線性增加。例如，向中上部白肋煙中加入0%、4%、8%、12%、16%的葡萄糖，卷煙煙氣焦油量分別為 14.6 mg/cig、14.3 mg/cig、15.1 mg/cig、16.2 mg/cig、14.9 mg/cig。

Baker 等[44]系統(tǒng)考察了多種糖料、多個添加量下，外加糖對煙氣成分的影響。該研究采用美式混合煙配方葉組（不含非煙草添加物、薄片等）作為參試煙草材料，將食品級的糖料溶解到水中后采用滾筒加料的方式將其添加到煙草中，卷煙樣品采用相同輔材制作，控制煙支重量基本一致。卷煙采用ISO 標準抽吸法。結果表明，無論是單因素多水平加糖試驗（表2 中序號7～8），還是多因素單水平加糖試驗（表2中序號9），大部分加糖樣品焦油量均低于相應的對照樣品，但變化不顯著。他們認為，加糖后導致卷煙焦油量降低的原因，一是由于卷煙是重量控制，加糖存在稀釋效應，會使煙草成分相對含量降低；二是加糖對卷煙燃燒區(qū)燃燒和蒸餾過程平衡的影響。

Coggins等[45]采用混合型卷煙配方（35%烤煙，23%白肋煙，15%香料煙，27%薄片）作為參試煙草材料，向其中加入高、中、低3 個梯度的多種煙草常用添加劑，考察其對主流煙氣危害性的影響（表2 中序號10～13）。卷煙樣品采用重量控制，測試方法采用ISO 標準方法。結果表明，所有試驗的糖類添加劑（包括果葡糖漿、蜂蜜、蔗糖、轉化糖等）對焦油量均沒有明顯的影響。

Cheah 等[46]向白肋煙中加入蔗糖、果糖和葡萄糖，考察其對主流煙氣成分的影響（表2 中序號14）。糖類采用溶液添加的方式，煙氣分析方法采用ISO 標準方法。結果表明，加6%的果糖的樣品和不加糖的對照樣品相比，焦油量升高，但未達到顯著性水平（P＞0.05）。

值得注意的是，目前關于外加糖對卷煙焦油量的影響的相關研究，參試煙草材料多為白肋煙或混合型卷煙。外加糖對烤煙或烤煙型卷煙焦油量的影響，還有待進一步研究。

1.3 水溶性糖對成品卷煙煙氣焦油量的影響

Pennings等[47]以歐洲市場在售的53種成品卷煙為研究對象，考察了糖類和保濕劑與煙氣成分的相關性，結果表明卷煙焦油釋放量和總糖含量呈弱負相關；Phillpotts 等[20]考察了英國及除英國外其他歐洲國家市場上常見卷煙糖含量和煙氣成分的關系，簡單相關分析后發(fā)現(xiàn)英國市場42 種卷煙含糖量和焦油釋放量呈弱負相關，歐洲其他國家40 種卷煙的含糖量和焦油釋放量呈弱正相關，相關性均未達到顯著水平。張志剛等[48]對某種牌號卷煙的焦油量與其煙絲中的總糖、總氮等進行回歸分析，結果表明總糖含量對卷煙焦油量貢獻為正值，簡單相關分析發(fā)現(xiàn)卷煙焦油釋放量和煙絲總糖含量呈弱正相關，相關性未達到顯著水平。

1.4 與傳統(tǒng)認識的差異

長期以來，國內煙草行業(yè)一直有“糖高焦油高”的說法，認為加糖會使焦油升高[9,49-50]。然而，從上文的論述中可知，內源水溶性糖含量與煙氣焦油量之間無明顯相關性或呈負相關關系（1.1 節(jié)），外加水溶性糖可能也不會導致卷煙焦油釋放量增加（1.2 節(jié)、1.3節(jié)）。因此，國內煙草行業(yè)“糖高焦油高”的傳統(tǒng)說法可能有一定的局限性。

煙氣焦油是煙草在不完全燃燒的情況下產(chǎn)生的，影響煙氣焦油量的因素很多很復雜，不僅與煙草內源化學成分和外源添加劑有關，還與卷煙輔材及煙支設計參數(shù)有關[51-54]，從現(xiàn)有研究結果來看，水溶性糖含量不是主要的影響因素。

2 水溶性糖對卷煙煙氣醛類成分的影響

糖類在燃燒過程中，僅有約0.5%被轉移到主流煙氣中，大部分糖會熱解或和煙氣中其它成分反應[55]。糖的熱解試驗[13-14]表明，糖類自身裂解產(chǎn)物主要是呋喃衍生物（糠醛、5-甲基糠醛、5-羥甲基糠醛等）、小分子醛酮（甲醛、乙醛、丙烯醛、丙酮等）、有機酸（乙酸等）等。葡萄糖、果糖、蔗糖、轉化糖等熱解產(chǎn)物種類幾乎是一樣的，在比例上可能有一些差異。在卷煙燃燒過程中，糖類除了自身的熱解，本身及其熱解產(chǎn)物還會和煙草中的胺（銨化合物、氨基酸、蛋白質等）發(fā)生美拉德反應，而美拉德反應產(chǎn)物又可以進一步分解為醛類、酮類、吡嗪和吡啶等[56-59]。在糖的諸多裂解產(chǎn)物中，醛類（甲醛、乙醛、丙烯醛）是最受關注的煙氣危害性成分。

早期的研究大多認為，外加糖不會導致卷煙醛類成分釋放量升高。1971 年，Gager 等[60-61]在煙草中加入C14標記葡萄糖和蔗糖，發(fā)現(xiàn)主流煙氣中放射性醛類的含量極少（＜0.07%）。1975 年，Thomton 等[22]向白肋煙中加入大量（10.5%～17.8%）的果糖和葡萄糖后發(fā)現(xiàn)，主流煙氣中揮發(fā)性醛類含量不但沒有增加，反而略有減少，而糠醛等呋喃衍生物的含量大幅增加。同年，Phillpotts 等[20]的研究表明，主流煙氣中的總醛產(chǎn)量與煙草的糖含量或平衡水分含量無關，而與焦油釋放量之間存在正相關關系。Seeman 等[19]研究也得出相似結論，他們分析了大量美國市售成品卷煙的主流煙氣中乙醛釋放量和CO 以及焦油的關系，發(fā)現(xiàn)乙醛釋放量和焦油及CO 顯著性相關，和卷煙中還原糖含量并沒有相關性。他們認為相比于還原糖，乙醛釋放量受卷煙設計特性（例如濾嘴通風率等）決定的煙氣成分總產(chǎn)量的影響更大。Sanders 等[21]認為，葡萄糖等水溶性糖類不是主流煙氣中醛類成分的主要前體物，在相同重量下，糖并不會比煙草本身產(chǎn)生更多的醛類物質。煙草中本身存在的多聚糖，比如纖維素等，才是主流煙氣中醛類的主要前體物。他們從分子結構的角度對機理進行了探討，認為相比于多聚糖，小分子糖更容易形成五元環(huán)中間體（即呋喃前體物），因而熱解時更容易形成呋喃類產(chǎn)物，而不是低分子量羰基化合物。

2006 年，Baker[44]開展了一項里程碑式的研究，系統(tǒng)考察了多種糖類對主流煙氣成分，尤其是甲醛釋放量的影響。該項研究使用典型美式混合煙配方（不含薄片及其它非煙草添加成分）作為參試煙草材料，糖料溶解在水中后，采用滾筒加料的方式添加到煙絲中，煙支采用重量控制，每支煙的煙絲含量均為710 mg 左右。甲醛及其它揮發(fā)性羰基化合物的測定，是將煙氣通過酸化的2,4-二硝基苯肼，將其中的羰基化合物轉化為非揮發(fā)性腙，將溶液用吡啶穩(wěn)定后，用HPLC-uv 進行檢測。他們的研究結果表明，在ISO 抽吸模式下，所有糖類均會增加主流煙氣中甲醛的產(chǎn)量；糖的在添加量為10.5%以內時，甲醛釋放量和糖的添加量呈線性相關，但與其他羰基化合物的相關性很小或沒有相關性。

2010 年，Hahn 等[23]考察了甘油、可可粉、蔗糖對卷煙主流煙氣成分的影響。他們采用混合煙配方葉組（50%烤煙，20%白肋煙，20%梗絲，10%香料煙）作為參試煙草材料，添加量分低、中、高3 個梯度，其中蔗糖最大添加量為4.8%。卷煙煙支保持重量一致，采用ISO 抽吸模式。甲醛和乙醛的測定方法與Baker[44]基本一致。結果表明，加糖后主流煙氣中甲醛含量顯著增加，但乙醛含量并沒有明顯增加。

2018 年，Cheah 等[46]研究了蔗糖、果糖和葡萄糖對白肋煙主流煙氣成分的影響。卷煙采用ISO 抽吸模式，用單孔道吸煙機進行抽吸，醛類成分測定結果是6 個重復的平均值，每個重復吸1 支煙。用Carboxen 572 采樣盒對醛類成分采樣后，用配備SPD M20A 光電二極管陣列檢測器的HPLC 儀器進行分析，使用的流動相是超純水/乙腈（1:1（V/V））。結果表明，加糖會導致主流煙氣中乙醛、丙烯醛、巴豆醛、丙醛和丁醛的含量增加，增加幅度為5%～40%。主流煙氣中甲醛含量變化不大，與Baker[44]、Hahn 等[23]的研究結果不一致，原因可能是該研究中使用的醛類成分測定方法不適合甲醛，因為它具有高度揮發(fā)性和親水性，在進入采樣盒之前，有一部分甲醛已經(jīng)被劍橋濾片捕獲，從而導致甲醛測定結果不準確。另外，他們的研究表明，與蔗糖和葡萄糖相比，添加果糖后主流煙氣中醛類增加幅度更大，可能和果糖反應活性更高有關[62-63]。

Roemer 等[8]將Baker[44]、Coggins[45]、Roemer[64]的研究中相同抽吸模式下所有數(shù)據(jù)進行匯總，通過線性回歸方法擬合出煙氣成分和糖添加量的函數(shù)（不考慮糖的類型），并對所得斜率進行統(tǒng)計檢驗（與零斜率的差異）。結果發(fā)現(xiàn)甲醛、丙烯醛、2-丁酮、異戊二烯、苯、甲苯等成分含量隨加糖量的增加而顯著增加，其中甲醛的變化最為顯著，在5%的添加量下，與不添加糖的對照樣品相比，甲醛含量最大增加了25%。乙醛含量和糖施用量之間不存在顯著性關系。

外加糖對卷煙主流煙氣中小分子醛類成分釋放量的影響，目前還沒有統(tǒng)一的結論。但近年來的研究大多表明，加糖可能會引起部分醛類成分，尤其是甲醛釋放量的升高。

3 水溶性糖對卷煙煙氣其它有害成分的影響

黃朝章等[65]研究了單料煙主流煙氣中HCN 釋放量與其煙葉常規(guī)化學成分含量間的相關性，發(fā)現(xiàn)主流煙氣中HCN 的釋放量與煙葉中的總糖、還原糖呈顯著負相關，蒯雁等[66]研究也得出類似結論。袁秀秀等[67]分析了烤煙常規(guī)化學成分含量對主流煙氣7 種有害成分的影響，結果表明隨著煙葉糖含量增加，氨和NNK 釋放量減少，巴豆醛釋放量略有增加，總糖、還原糖含量與巴豆醛釋放量呈正相關，與苯酚釋放量呈負相關，總糖含量與煙氣整體危害性指數(shù)之間規(guī)律不明顯。Cai 等[68]考察了73 種煙葉成分對主流煙氣7 種有害成分釋放量及危害性指數(shù)的影響，結果表明對煙氣危害性指數(shù)影響最大的煙葉化學成分是鉀、蘋果酸和生物堿含量，糖含量影響并不顯著。

Hahn 等[23]研究結果表明，和對照樣品相比，混合煙配方中加入1.5%～5%蔗糖后，主流煙氣中1,3-丁二烯含量明顯升高，苯并[a]芘含量略有降低，煙草特有氮亞硝胺（TSNAs）含量整體略有降低。Roemer 等[8]對多位研究者的數(shù)據(jù)匯總分析發(fā)現(xiàn)，2-丁酮、異戊二烯、苯、甲苯和苯并[k]熒蒽釋放量隨加糖量的增加而顯著增加，1,3-丁二烯、苯酚、NNK、苯并[a]芘的釋放量沒有顯著變化，N-亞硝基二甲胺、N-硝基鳥嘌呤和4-氨基聯(lián)苯則隨加糖量的增加而顯著減少；整體上，隨著加糖量的增加，羰基成分產(chǎn)率增加，而含氮成分產(chǎn)率降低。

4 總結和展望

目前關于糖類對卷煙危害性煙氣成分的影響的研究，國內主要側重于煙葉本身水溶性糖和與焦油釋放量的相關性，國外更關注外加糖對卷煙焦油和醛類成分釋放量的影響。整體來看，內源水溶性糖含量對卷煙焦油釋放量的影響較輕微，外加糖對可能對卷煙焦油釋放量影響較小，但目前相關研究較少，仍然需要開展更多的研究，尤其以烤煙作為參試煙草材料的研究。水溶性糖對醛類釋放量的影響方面仍然存在爭議，但近期的研究大多表明，水溶性糖含量對部分醛類，尤其是甲醛釋放量存在影響。糖類成分作為煙葉中含量最大的化學成分，以及卷煙制造過程中最重要的添加劑之一，研究其含量對卷煙煙氣危害性成分釋放量的影響很有必要。通過上文綜述，我們認為，關于水溶性糖對卷煙主流煙氣醛類成分及其他有害成分釋放量的影響還需要進一步深入研究。在研究過程中，要注意糖的最大添加量、卷煙樣品選擇、檢測方法的精確性等細節(jié)問題，因為這些細節(jié)問題可能都會對該類研究的結論有一定影響。此外，煙氣有害成分增加或減少，并不完全等同于對人體危害程度的增加或減少；要完全理解水溶性糖等煙草化學成分或添加劑對人體健康的影響，還需要開展相關的毒理學研究以提供更多的證據(jù)。