加熱非燃燒狀態(tài)下煙草制品的TSNAs釋放規(guī)律

周慧明 華青 劉廣超 等

摘 ?要：為了解加熱非燃燒煙草制品加熱時(shí)TSNAs的釋放情況，以煙草薄片顆粒（RTPs）為原料，研究甘油含量、加熱溫度等對(duì)TSNAs釋放的影響，并探究了其中NNN與NNK釋放之間的關(guān)系。NNK和NNN釋放量隨加熱溫度升高而增加，達(dá)到240 ℃之后增量變小;NAB的釋放量隨溫度升高不斷上升;NAT的釋放量先隨溫度升高而增加，達(dá)到240 ℃后基本穩(wěn)定。同時(shí)，原料中添加甘油會(huì)不同程度地減少TSNAs的釋放量。因此，煙草薄片顆粒中的甘油含量、加熱溫度顯著影響TSNAs釋放行為，合理的甘油含量和低溫加熱均可有效減少TSNAs的釋放。原料中添加NNN后，NNK的釋放量顯著增加，推測(cè) 原料中NNN含量增加可能促進(jìn)氣溶膠中NNK的釋放。

關(guān)鍵詞：煙草;煙草特有亞硝胺;TSNAs;加熱;釋放

中圖分類號(hào)：TS41+1 ?????????文章編號(hào)：1007-5119（2019）01-0082-07 ?????DOI：10.13496/j.issn.1007-5119.2019.01.011

Abstract： In this work， the tobacco-specific nitrosamines （TSNAs） release behavior of reconstituted tobacco particles （RTPs） for heat-not-burn product （HNB） when heated has been investigated， and some influence factors， such as the glycerin content of tobacco material and the heating temperature， have been studied. Besides， the relationship between the release of NNN and NNK has been explored. NNK and NNN release amounts increased with heating temperature， and when the temperature reached 240 ℃， the increment decreased; NAB release amount increased with the increase of temperature; NAT release amount increased with the increase of temperature first， and became stable after the temperature reached 240 ℃. Meanwhile， the addition of glycerin to RTPs can reduce the release of TSNAs to varying degrees. Hence， glycerin content of RTPs and the heating temperature have both been shown to considerably influence the release values of TSNAs， while appropriate glycerin content and relatively low heating temperature could reduce the release of TSNAs efficiently. Besides， when NNN was added to RTPs， NNK release amount increased significantly， so it could be conjectured that the increase of NNN content in RTPs may promote the release of NNK in aerosol.

Keywords： tobacco; tobacco-specific nitrosamines; TSNAs; heated; release

加熱非燃燒煙草制品（HNB）將煙草原料加熱而非直接燃燒，產(chǎn)生可吸入氣溶膠。因其無(wú)需高溫燃燒煙草，僅在相對(duì)低溫下對(duì)煙草原料進(jìn)行加熱，減少了煙草高溫燃燒裂解產(chǎn)生的有害成分，側(cè)流煙氣和環(huán)境煙氣也大幅降低，因此有望成為一種既能給用戶提供煙草抽吸的滿足感、又可降低有害和潛在有害成分（HPHC）釋放和吸入的產(chǎn)品，故而成為了當(dāng)下的研究熱點(diǎn)[1-3]。

煙草制品自身和煙氣成分中含有多種HPHC，因此，有效地控制和降低其HPHC的釋放量一直是煙草的重要發(fā)展方向和科研熱點(diǎn)[4]。煙草及煙草制品中存在的N-亞硝胺可以分為4類：揮發(fā)性N-亞硝胺、非揮發(fā)性N-亞硝胺、帶亞硝基的氨基酸和煙草特有亞硝胺（TSNAs），其中，TSNAs因其致癌性最受關(guān)注。TSNAs包含去甲基煙堿（NNN）、4-（N-甲基-N-亞硝胺）-1-（3-吡啶基）-丁酮（NNK）、N-亞硝基假木賊堿（NAB）、N-亞硝基新煙草堿（NAT）和4-（N-甲基-N-亞硝基氨基）-4-（3-吡啶基）-丁醛（NNA）以及NNK和NNA的衍生物4-（N-甲基-N-亞硝基氨基）-1-（3-吡啶基）-丁醇（NNAL）和4-（N-甲基-N-亞硝基氨基）-4-（3-吡啶基）-丁醇（iso-NNAL）等8種物質(zhì)，NNN、NNK、NAB、NAT為其中主要的4種，是一類廣泛存在于煙草制品和煙氣中的HPHC。TSNAs是一組強(qiáng)致癌物質(zhì)，國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)（IARC）將具有強(qiáng)動(dòng)物致癌性的NNN和NNK兩種物質(zhì)列入一類致癌物，將NAT和NAB列入三類致癌物[5-7]。毋庸置疑，研究煙草制品和煙氣中的TSNAs含量和釋放規(guī)律，對(duì)于正確評(píng)價(jià)吸煙與健康的關(guān)系、推進(jìn)低危害煙草制品的研究與發(fā)展具有重要意義。過(guò)去幾十年里，科研人員一直不遺余力地對(duì)TSNAs的檢測(cè)方法等進(jìn)行了大量的研究，并且取得了許多科研成果[8-15]，然而這些研究主要是針對(duì)傳統(tǒng)卷煙。

近年來(lái)，加熱非燃燒煙草制品（HNB）逐漸成為熱點(diǎn)，作為一種新型煙草制品，HNB的HPHC釋放行為值得關(guān)注和研究，TSNAs作為一類關(guān)注度較高的有害物質(zhì)，目前與之相關(guān)的報(bào)道并不多見(jiàn)?；诖?，本文對(duì)HNB煙草原料的TSNAs釋放行為進(jìn)行了探究，采用氣相色譜的色譜柱箱提供熱源，吸煙機(jī)提供抽吸引擎，自主設(shè)計(jì)的石英管模擬HNB加熱管，開發(fā)了一個(gè)模擬HNB的加熱裝置，對(duì)不同甘油比例和加熱溫度條件下HNB煙草原料的TSNAs釋放行為進(jìn)行研究，同時(shí)對(duì)加熱過(guò)程中，NNN和NNK的釋放關(guān)系進(jìn)行探究。

1 ?材料與方法

1.1 ?材料

煙草材料采用煙草薄片顆粒，購(gòu)于上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司，含水率7%，粒徑1～2 mm。甘油（阿拉丁，分析純，99%），甲醇（RCI Labscan，色譜純），乙腈（TEDIA，色譜純），乙酸銨（Sigma-Aldrich，色譜純），甲酸銨（Sigma-Aldrich，質(zhì)譜純），甲酸（Sigma-Aldrich，質(zhì)譜純）。標(biāo)準(zhǔn)品：N-亞硝基去甲基煙堿rac N-itrosonornicotine（NNN），純度≥98%;N-亞硝基新煙堿（R，S）-N-Nitrosoanatabine（NAT），純度≥98%;N-亞硝基假木賊堿（R，S）-N-Nitrosoanabasine（NAB），純度≥98%;4-（N-甲基-N-亞硝胺）-1-（3-吡啶基）-丁酮4-（Methylnitrosoamino）-1-（3-pyridyl）-1-butanone（NNK），純度≥98%;氘代-N-亞硝基降煙堿rac N-Nitrosonornicotine-d4（NNN-d4），純度≥99%;氘代-N-亞硝基新煙堿（R，S）-N-Nitrosoanatabine-2，4，5，6- d4（NAT-d4），純度≥99%;氘代-N-亞硝基假木賊堿（R，S）-N-Nitrosoanabasine-d4（NAB-d4），純度≥99%;氘代-4-（甲基亞硝胺基）-1-（3-吡啶基）-1-丁酮4-（Methylnitrosoamino）-1-（3-pyridyl-d4）-1-butanone （NNK-d4），純度≥99%;標(biāo)準(zhǔn)品購(gòu)自加拿大TRC公司。劍橋?yàn)V片（CFPs，Whatman，直徑44mm），石英棉（CNW，GOEQ-003352硅烷化玻璃棉），電子天平（METTLER TOLEDO，CPE205，感量0.01mg），Agilent 6890B氣相色譜儀，Milli-Q50超純水儀（美國(guó)MILLIPORE公司），Agilent1290高效液相色譜儀（美國(guó)Agilent公司），AB SCIEX QTRAP 5500（美國(guó)AB SCIEX公司），KQ-700DE型數(shù)控超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司，功率1000 W）。

自主設(shè)計(jì)的石英管，結(jié)構(gòu)如圖1。主體部分兩端開口、外徑8 mm、內(nèi)徑6 mm，下部側(cè)面連接彎折的外徑6 mm、內(nèi)徑2 mm的細(xì)管，細(xì)管另外一端連接一段外徑8 mm、內(nèi)徑6 mm的石英管。主體管與細(xì)管最大直徑處為1.6 cm。主體管內(nèi)部上端有卡口，可以固定住填充物，主體管上方連接捕集器和吸煙機(jī)的抽吸引擎。

采用SM400 20孔道吸煙機(jī)（英國(guó)Filtrona公司）提供抽吸裝置。加熱源采用安捷倫公司6890N氣相色譜的色譜柱箱，尺寸為28 cm×31 cm×16 cm，使用溫度為高于環(huán)境溫度4 ℃至450 ℃，溫度設(shè)置精度為1 ℃，最大升溫速率為120 ℃/min，環(huán)境敏感度為環(huán)境溫度變化1 ℃，箱內(nèi)溫度變化<0.01 ℃。色譜柱箱上方開3個(gè)直徑為2 cm的孔，可將石英管順利地放入和取出，結(jié)構(gòu)如圖2所示。經(jīng)測(cè)試，改造后的色譜柱箱可以提供溫度穩(wěn)定的熱源。

1.2 ?研究方法

1.2.1 ?煙草薄片顆粒樣品制備 ?將適量的水與甘油混勻加入到適量的原含水率為7 %、不含甘油的煙草薄片顆粒樣品中，攪勻，在恒溫恒濕箱中放置72 h。用該方法制備了含水率16 %、甘油含量0、10、30%的樣品，依次標(biāo)記為A、B、C。向樣品C中添加NNN，得到NNN為其原含量10倍的樣品D。在攪拌過(guò)程中，甘油與水會(huì)發(fā)生少量揮發(fā)，因此，采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YC/T 243—2008煙草及煙草制品1，2-丙二醇、丙三醇的測(cè)定氣相色譜法和YC/T 345—2010煙草及煙草制品水分的測(cè)定氣相色譜法測(cè)定了樣品的甘油含量和含水率，結(jié)果如表1。

1.2.2 ?煙草薄片顆粒樣品熱重（TG）分析 ?稱取20～25 mg煙草薄片顆粒樣品置于Pt坩堝中，N2吹掃，樣品氣流速20 mL/min，平衡氣流速40 mL/min，從35 ℃升至500 ℃，升溫速率為20 ℃/min，在500 ℃保持5 min，通過(guò)TG軟件記錄數(shù)據(jù)，得到熱重（TG）曲線。將TG曲線進(jìn)行一階求導(dǎo)，得到DTG曲線。

1.2.3 ?樣品受熱釋放的氣溶膠中TSNAs捕集方法向石英管中先填充少量石英棉，加入適量的顆粒樣品、末端填入少量石英棉，尾部塞上耐高溫的密封墊，如圖1所示。將氣相色譜柱箱的溫度設(shè)置為目標(biāo)溫度，達(dá)到目標(biāo)溫度并穩(wěn)定5 min后，將裝有待測(cè)樣品的石英管放置于箱體上方的孔內(nèi)，進(jìn)行加熱與抽吸。本實(shí)驗(yàn)采用ISO 4387抽吸方法，具體參數(shù)為：抽吸容量35 mL，每口抽吸時(shí)間2 s，抽吸間隔30 s，抽吸20口;并進(jìn)行了3組平行試驗(yàn)。

1.2.4 ?顆粒樣品與氣溶膠中TSNAs含量測(cè)試方法采用CORESTA推薦方法N° 72無(wú)煙氣煙草樣品中TSNAs的檢測(cè)方法。制備的樣品TSNAs含量的實(shí)測(cè)值如下表，所有數(shù)值均計(jì)以去水去甘油的單位干重的原料對(duì)應(yīng)的含量。

2 ?結(jié) ?果

2.1 ?不同甘油含量的煙草薄片顆粒樣品的TG、DTG分析

為了獲知樣品適宜的加熱溫度區(qū)域，首先對(duì)樣品進(jìn)行了熱重（TG）分析。圖3為A、B、C三種樣品的熱重（TG）與相應(yīng)的微分熱重（DTG）曲線圖。從圖3中可知，圖中曲線的走勢(shì)與文獻(xiàn)[16-18]中類似試驗(yàn)條件下的研究結(jié)果一致，在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，隨著熱解溫度的不斷上升，樣品經(jīng)歷了明顯的熱失重過(guò)程。為了清晰地描述具體現(xiàn)象，根據(jù)曲線的波動(dòng)特征，將TG、DTG曲線分成三個(gè)區(qū)間進(jìn)行分析，125 ℃之前，125～270 ℃，270 ℃之后。從曲線圖中可見(jiàn)，在125 ℃之前，100 ℃附近為水失重峰，樣品A的水失重峰顯著提前于B、C，樣品B的水失重峰提前于C。該現(xiàn)象是由甘油的保潤(rùn)性引起，樣品A中不含甘油，水分較易釋放，C中甘油含量最高，因而水失重峰出現(xiàn)最晚。當(dāng)溫度達(dá)到125 ℃之后，樣品B、C的失重峰顯著提前于A，從DTG曲線中可見(jiàn)，從125 ℃至270 ℃，A、B、C的失重峰峰面積依次增大，這主要是由于樣品中甘油的揮發(fā)以及隨甘油揮發(fā)攜帶的其他化合物的釋放引起。在270 ℃之后，失重峰的最高處位于300 ℃左右，因此在270 ℃之后，樣品在300 ℃左右失重速度最快，在300 ℃下加熱可以使樣品充分釋放氣溶膠。當(dāng)溫度達(dá)到300 ℃時(shí)，樣品A、B、C的殘余質(zhì)量分別為62.34%、48.81%、32.96%，殘余質(zhì)量之間的差異，與樣品中甘油含量的實(shí)測(cè)值之間的差異吻合，因此，殘余質(zhì)量之間的差異主要是由甘油含量的差異引起。由TG與DTG曲線可知，樣品A、B、C在150～300 ℃段發(fā)生了顯著的熱解過(guò)程，且許多HNB產(chǎn)品將目標(biāo)加熱溫度設(shè)置在該溫度段，因此本文將選擇在該溫度段探究TSNAs的釋放規(guī)律。

2.2 ?煙草薄片顆粒樣品TSNAs釋放規(guī)律

根據(jù)2.1的分析，本文選擇在150～300 ℃溫度段探究TSNAs的釋放規(guī)律，重點(diǎn)關(guān)注加熱溫度及甘油含量對(duì)TSNAs釋放行為的影響。圖4反映了3種樣品在不同溫度加熱時(shí)TSNAs的釋放現(xiàn)象。隨著加熱溫度的上升，NNK的釋放量逐漸增加，達(dá)到240 ℃之后增量變小;NNN的釋放量先隨溫度升高而增加，超過(guò)240 ℃后稍有減少;NAB的釋放量隨溫度升高不斷上升;NAT的釋放量先隨溫度升高而增加，達(dá)到240 ℃后基本穩(wěn)定。

此外，從圖4可見(jiàn)，甘油含量對(duì)TSNAs的釋放也有較為明顯的影響，尤其是對(duì)NNK與NNN釋放的影響非常顯著。在相同的試驗(yàn)條件下，樣品C的NNK與NNN釋放量基本低于A與B，210 ℃以上時(shí)，樣品C的NNN釋放量則顯著低于其他兩種樣品，NAB和NAT的釋放也呈現(xiàn)出相似的趨勢(shì)。

2.3 ?NNN與NNK釋放關(guān)系的比較

比較表2中原料所含TSNAs的實(shí)測(cè)值與圖4中測(cè)得的TSNAs的釋放量可知，NNK的釋放量超過(guò)了其在原料中的含量，而NNN則相反，基于以上現(xiàn)象，進(jìn)行了以下試驗(yàn)。參照樣品C中NNN的含量，補(bǔ)加NNN，制備得到NNN含量約為原來(lái)10倍的樣品D，考察NNN和NNK之間是否存在相互影響的可能。將樣品C、D在加熱溫度為180、240、300 ℃的條件下進(jìn)行TSNAs釋放量的測(cè)試，并將原料中NNK、NNN含量（表2）和氣溶膠中的釋放量（表3）進(jìn)行比較。

經(jīng)計(jì)算，240 ℃時(shí)，樣品C的NNK釋放量相對(duì)于原料中的含量提高了約24.3%，D則增加了更多，為110.3%。因此，樣品中NNN含量增加引起了NNK釋放量增加。

3 ?討 ?論

本研究重點(diǎn)關(guān)注了加熱溫度及甘油含量對(duì)TSNAs釋放行為的影響。氣溶膠中的TSNAs一部分來(lái)源于煙草原料中含有的TSNAs的直接轉(zhuǎn)移，另一部分源于加熱抽吸過(guò)程中由煙堿、去甲基煙堿等反應(yīng)形成和釋放[19-21]。加熱時(shí)，原料中的TSNAs轉(zhuǎn)移到氣溶膠中，隨著加熱溫度升高，遷移速率不斷上升直至平衡，同時(shí)，由反應(yīng)生成的TSNAs也不斷增加，因而氣溶膠中TSNAs含量不斷增加。當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，反應(yīng)過(guò)程變得更加復(fù)雜，部分TSNAs呈現(xiàn)釋放量稍有減少的現(xiàn)象。

甘油是一種煙草制品中常用的添加劑，可作為保濕劑混入煙草制品中，以降低制卷后水分損失的速度。它還可以作為主要的氣溶膠劑，幫助增加總氣溶膠物質(zhì)（ACM），在HNB產(chǎn)品中幫助攜帶尼古丁、香味和香氣成分[22]。此外，根據(jù)前人分析，甘 油還可能與煙草原料發(fā)生相互作用，影響氣溶膠的成分[23]。煙草原料中添加甘油后受熱釋放的TSNAs減少，可能是由于加熱溫度較高時(shí)，甘油汽化吸熱，帶走了反應(yīng)體系內(nèi)的部分熱量，使得相同的外部加熱條件下，樣品C的體系實(shí)際溫度低于樣品A、B，從而TSNAs的釋放量也最低。

綜上所述，樣品中的甘油含量與加熱溫度均是TSNAs釋放過(guò)程中不可忽視的影響因素，相對(duì)較低的加熱溫度與適當(dāng)比例的甘油均可以減少TSNAs的釋放。

原料中添加NNN引起NNK釋放量增加可能是由下述原因?qū)е拢悍磻?yīng)體系中，存在反應(yīng)NNK?煙堿?去甲基煙堿?NNN[24-25]，煙堿可反應(yīng)生成NNK，去甲基煙堿可反應(yīng)生成NNN[19]。加熱狀態(tài)下，除直接從原料中遷移的NNK以外，其他途徑生成NNK，如煙堿生成NNK的反應(yīng)速率增加，因此NNK的釋放量增加。當(dāng)樣品中NNN添加之后，抑制了上述反應(yīng)向右方進(jìn)行而促進(jìn)了其向左方進(jìn)行，導(dǎo)致NNK的釋放量增加。另外，也曾有文獻(xiàn)報(bào)道，NNN和NNK可能存在共同的熱生成機(jī)理[12]，因此，NNN與NNK的生成之間存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，高溫時(shí)，NNK的生成具有優(yōu)勢(shì)，超越了NNN的生成，這也是該現(xiàn)象可能的原因之一。目前，仍無(wú)對(duì)NNN與NNK兩者的生成之間是否存在關(guān)聯(lián)的直接證據(jù)報(bào)道。

4 ?結(jié) ?論

基于自主設(shè)計(jì)的一套捕集檢測(cè)裝置，探究了加熱非燃燒狀態(tài)下煙草原料的TSNAs釋放規(guī)律。研究結(jié)果表明，煙草薄片顆粒中的甘油含量、加熱溫度均是煙草薄片顆粒的TSNAs釋放行為的重要影響因素，樣品中適量的甘油和低溫加熱均可有效降低TSNAs的釋放。因此，設(shè)計(jì)具有適量甘油的煙草原料、采用相對(duì)較低的加熱溫度的HNB產(chǎn)品可以減少用戶的TSNAs攝入。煙草原料中NNN含量增加可能促進(jìn)氣溶膠中NNK的釋放量增加。

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