水溶性糖对卷烟烟气焦油和醛类等有害成分的影响研究综述

陈斌，徐玮杰，汤朝起*，王磊，刘鹏，隋相军，王金明

1 上海烟草集团有限责任公司技术中心，上海市浦东新区秀浦路3733 号 201315；

2 山东烟叶复烤有限公司，山东省济南市高新区龙奥北路1067 号 250101

糖类物质是烟叶主要化学成分之一，且通常是含量最大的成分[1]。烟叶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、纤维素、果胶等多糖[2-3]。通常所说的烟草总糖就指的是水溶性糖。水溶性糖是影响烟草吸味的最重要的化学成分之一[4-5]，并且在烟草加工过程中，多种水溶性糖或含有水溶性糖的料液会被添加到烟叶或烟丝中，以用于改善卷烟吸味或用作保润剂等[6-7]。水溶性糖作为烟叶最重要的化学成分之一和最常用的添加剂[8-9]，在发挥其有益效果的同时，还应当关注其对卷烟烟气有害成分的影响。这对于全面认识水溶性糖正反两方面的作用，具有十分重要的意义。

卷烟烟气包含7000 多种化学成分[10]，其中有害成分的比例很小，但种类却很多，而且多存在于焦油中，因此通常以烟气焦油量的多少作为代表烟气危害性大小的指标之一[11-12]。但长期以来，关于水溶性糖对烟气焦油量的影响及关系问题，一直是国内烟草行业一个富有争议的话题。另外，在水溶性糖的诸多热解产物中，醛类成分（甲醛、乙醛、丙烯醛等）是最受关注的烟气有害成分之一[13-14]，其中乙醛不仅直接对人体产生危害，还被认为会和烟碱共同作用，增加吸烟成瘾性[15-17]。几十年来，在卷烟中加糖是否会导致烟气中醛类成分的增加这类课题也进行大量研究[8,18-24]。本文着重对水溶性糖（包括内源糖和外加糖）含量与卷烟烟气焦油量、醛类成分释放量的关系进行了梳理和综述，以期能准确理解水溶性糖对烟气有害成分的影响，为水溶性糖的科学使用提供参考。

1 水溶性糖对卷烟烟气焦油量的影响

1.1 烟叶内源水溶性糖含量对烟气焦油量的影响

表1 引用文献共18 篇，国外文献有左天觉在美国农业部主持的一项里程碑式的研究报告[25]，国内文献包含《中国烟草学报》《烟草科技》《中国烟草科学》（统称“烟草三刊”）从1980 年代以来发表的关于烟叶内源水溶性糖含量与烟气焦油量关系研究的文章共计13 篇[26-32,36-41]，以及发表在“烟草三刊”之外的引用率较高、影响力较大的4 篇文章[33-35,42]。

表1 烟叶内源水溶性糖含量与烟气焦油量的相关性Tab.1 Correlation between endogenous water-soluble sugar content in tobacco leaves and tar contents in mainstream smoke

表1 可知，无论是同一产地同一部位等级的烟叶样品[36-38]，还是同一产地不同部位等级的烟叶样品[25,29-30,35,41-42]、不同产地同一部位等级的烟叶样品[26-27,33]、不同产地不同部位等级的烟叶样品[28,31-32,34,39-40]，烟叶水溶性糖含量与烟气焦油量之间都无明显相关性或呈负相关关系。因此，可以认为，烟叶内源水溶性糖含量对烟气焦油量影响较小或呈负面影响。但需要说明的是，该结论仅是根据数据统计分析结果得出，而该类研究中，烟叶内源糖含量并不是唯一的变量，数据统计分析结果受很多混杂因素的影响。

进一步的研究表明[26-27,36,39-40,42]，与水溶性糖相比，烟叶的烟碱、总氮及钾含量是对烟气焦油量影响更大的因素，其中，烟叶的烟碱、总氮含量与烟气焦油量呈显著或极显著的正相关关系，钾含量与烟气焦油量呈显著或极显著的负相关关系。

1.2 外加水溶性糖对卷烟烟气焦油量的影响

关于外加水溶性糖（单因素）对卷烟烟气焦油量的影响研究，国内外都鲜见专题报道。表2 列出了近几十年来引用率较高、影响力较大的4 篇文章[43-46]。

表2 外加水溶性糖对烟气焦油量的影响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、果糖和蔗糖对白肋烟烟气指标和感官质量的影响（表2 中序号1～6），所有卷烟样品均为采用相同辅材制作的无滤嘴卷烟，控制烟支的硬度基本一致。结果显示，大部分加糖样品的焦油量高于相应的对照样品，但焦油量的变化没有规律，不会随加糖量的升高而线性增加。例如，向中上部白肋烟中加入0%、4%、8%、12%、16%的葡萄糖，卷烟烟气焦油量分别为 14.6 mg/cig、14.3 mg/cig、15.1 mg/cig、16.2 mg/cig、14.9 mg/cig。

Baker 等[44]系统考察了多种糖料、多个添加量下，外加糖对烟气成分的影响。该研究采用美式混合烟配方叶组（不含非烟草添加物、薄片等）作为参试烟草材料，将食品级的糖料溶解到水中后采用滚筒加料的方式将其添加到烟草中，卷烟样品采用相同辅材制作，控制烟支重量基本一致。卷烟采用ISO 标准抽吸法。结果表明，无论是单因素多水平加糖试验（表2 中序号7～8），还是多因素单水平加糖试验（表2中序号9），大部分加糖样品焦油量均低于相应的对照样品，但变化不显著。他们认为，加糖后导致卷烟焦油量降低的原因，一是由于卷烟是重量控制，加糖存在稀释效应，会使烟草成分相对含量降低；二是加糖对卷烟燃烧区燃烧和蒸馏过程平衡的影响。

Coggins等[45]采用混合型卷烟配方（35%烤烟，23%白肋烟，15%香料烟，27%薄片）作为参试烟草材料，向其中加入高、中、低3 个梯度的多种烟草常用添加剂，考察其对主流烟气危害性的影响（表2 中序号10～13）。卷烟样品采用重量控制，测试方法采用ISO 标准方法。结果表明，所有试验的糖类添加剂（包括果葡糖浆、蜂蜜、蔗糖、转化糖等）对焦油量均没有明显的影响。

Cheah 等[46]向白肋烟中加入蔗糖、果糖和葡萄糖，考察其对主流烟气成分的影响（表2 中序号14）。糖类采用溶液添加的方式，烟气分析方法采用ISO 标准方法。结果表明，加6%的果糖的样品和不加糖的对照样品相比，焦油量升高，但未达到显著性水平（P＞0.05）。

值得注意的是，目前关于外加糖对卷烟焦油量的影响的相关研究，参试烟草材料多为白肋烟或混合型卷烟。外加糖对烤烟或烤烟型卷烟焦油量的影响，还有待进一步研究。

1.3 水溶性糖对成品卷烟烟气焦油量的影响

Pennings等[47]以欧洲市场在售的53种成品卷烟为研究对象，考察了糖类和保湿剂与烟气成分的相关性，结果表明卷烟焦油释放量和总糖含量呈弱负相关；Phillpotts 等[20]考察了英国及除英国外其他欧洲国家市场上常见卷烟糖含量和烟气成分的关系，简单相关分析后发现英国市场42 种卷烟含糖量和焦油释放量呈弱负相关，欧洲其他国家40 种卷烟的含糖量和焦油释放量呈弱正相关，相关性均未达到显著水平。张志刚等[48]对某种牌号卷烟的焦油量与其烟丝中的总糖、总氮等进行回归分析，结果表明总糖含量对卷烟焦油量贡献为正值，简单相关分析发现卷烟焦油释放量和烟丝总糖含量呈弱正相关，相关性未达到显著水平。

1.4 与传统认识的差异

长期以来，国内烟草行业一直有“糖高焦油高”的说法，认为加糖会使焦油升高[9,49-50]。然而，从上文的论述中可知，内源水溶性糖含量与烟气焦油量之间无明显相关性或呈负相关关系（1.1 节），外加水溶性糖可能也不会导致卷烟焦油释放量增加（1.2 节、1.3节）。因此，国内烟草行业“糖高焦油高”的传统说法可能有一定的局限性。

烟气焦油是烟草在不完全燃烧的情况下产生的，影响烟气焦油量的因素很多很复杂，不仅与烟草内源化学成分和外源添加剂有关，还与卷烟辅材及烟支设计参数有关[51-54]，从现有研究结果来看，水溶性糖含量不是主要的影响因素。

2 水溶性糖对卷烟烟气醛类成分的影响

糖类在燃烧过程中，仅有约0.5%被转移到主流烟气中，大部分糖会热解或和烟气中其它成分反应[55]。糖的热解试验[13-14]表明，糖类自身裂解产物主要是呋喃衍生物（糠醛、5-甲基糠醛、5-羟甲基糠醛等）、小分子醛酮（甲醛、乙醛、丙烯醛、丙酮等）、有机酸（乙酸等）等。葡萄糖、果糖、蔗糖、转化糖等热解产物种类几乎是一样的，在比例上可能有一些差异。在卷烟燃烧过程中，糖类除了自身的热解，本身及其热解产物还会和烟草中的胺（铵化合物、氨基酸、蛋白质等）发生美拉德反应，而美拉德反应产物又可以进一步分解为醛类、酮类、吡嗪和吡啶等[56-59]。在糖的诸多裂解产物中，醛类（甲醛、乙醛、丙烯醛）是最受关注的烟气危害性成分。

早期的研究大多认为，外加糖不会导致卷烟醛类成分释放量升高。1971 年，Gager 等[60-61]在烟草中加入C14标记葡萄糖和蔗糖，发现主流烟气中放射性醛类的含量极少（＜0.07%）。1975 年，Thomton 等[22]向白肋烟中加入大量（10.5%～17.8%）的果糖和葡萄糖后发现，主流烟气中挥发性醛类含量不但没有增加，反而略有减少，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，主流烟气中的总醛产量与烟草的糖含量或平衡水分含量无关，而与焦油释放量之间存在正相关关系。Seeman 等[19]研究也得出相似结论，他们分析了大量美国市售成品卷烟的主流烟气中乙醛释放量和CO 以及焦油的关系，发现乙醛释放量和焦油及CO 显著性相关，和卷烟中还原糖含量并没有相关性。他们认为相比于还原糖，乙醛释放量受卷烟设计特性（例如滤嘴通风率等）决定的烟气成分总产量的影响更大。Sanders 等[21]认为，葡萄糖等水溶性糖类不是主流烟气中醛类成分的主要前体物，在相同重量下，糖并不会比烟草本身产生更多的醛类物质。烟草中本身存在的多聚糖，比如纤维素等，才是主流烟气中醛类的主要前体物。他们从分子结构的角度对机理进行了探讨，认为相比于多聚糖，小分子糖更容易形成五元环中间体（即呋喃前体物），因而热解时更容易形成呋喃类产物，而不是低分子量羰基化合物。

2006 年，Baker[44]开展了一项里程碑式的研究，系统考察了多种糖类对主流烟气成分，尤其是甲醛释放量的影响。该项研究使用典型美式混合烟配方（不含薄片及其它非烟草添加成分）作为参试烟草材料，糖料溶解在水中后，采用滚筒加料的方式添加到烟丝中，烟支采用重量控制，每支烟的烟丝含量均为710 mg 左右。甲醛及其它挥发性羰基化合物的测定，是将烟气通过酸化的2,4-二硝基苯肼，将其中的羰基化合物转化为非挥发性腙，将溶液用吡啶稳定后，用HPLC-uv 进行检测。他们的研究结果表明，在ISO 抽吸模式下，所有糖类均会增加主流烟气中甲醛的产量；糖的在添加量为10.5%以内时，甲醛释放量和糖的添加量呈线性相关，但与其他羰基化合物的相关性很小或没有相关性。

2010 年，Hahn 等[23]考察了甘油、可可粉、蔗糖对卷烟主流烟气成分的影响。他们采用混合烟配方叶组（50%烤烟，20%白肋烟，20%梗丝，10%香料烟）作为参试烟草材料，添加量分低、中、高3 个梯度，其中蔗糖最大添加量为4.8%。卷烟烟支保持重量一致，采用ISO 抽吸模式。甲醛和乙醛的测定方法与Baker[44]基本一致。结果表明，加糖后主流烟气中甲醛含量显著增加，但乙醛含量并没有明显增加。

2018 年，Cheah 等[46]研究了蔗糖、果糖和葡萄糖对白肋烟主流烟气成分的影响。卷烟采用ISO 抽吸模式，用单孔道吸烟机进行抽吸，醛类成分测定结果是6 个重复的平均值，每个重复吸1 支烟。用Carboxen 572 采样盒对醛类成分采样后，用配备SPD M20A 光电二极管阵列检测器的HPLC 仪器进行分析，使用的流动相是超纯水/乙腈（1:1（V/V））。结果表明，加糖会导致主流烟气中乙醛、丙烯醛、巴豆醛、丙醛和丁醛的含量增加，增加幅度为5%～40%。主流烟气中甲醛含量变化不大，与Baker[44]、Hahn 等[23]的研究结果不一致，原因可能是该研究中使用的醛类成分测定方法不适合甲醛，因为它具有高度挥发性和亲水性，在进入采样盒之前，有一部分甲醛已经被剑桥滤片捕获，从而导致甲醛测定结果不准确。另外，他们的研究表明，与蔗糖和葡萄糖相比，添加果糖后主流烟气中醛类增加幅度更大，可能和果糖反应活性更高有关[62-63]。

Roemer 等[8]将Baker[44]、Coggins[45]、Roemer[64]的研究中相同抽吸模式下所有数据进行汇总，通过线性回归方法拟合出烟气成分和糖添加量的函数（不考虑糖的类型），并对所得斜率进行统计检验（与零斜率的差异）。结果发现甲醛、丙烯醛、2-丁酮、异戊二烯、苯、甲苯等成分含量随加糖量的增加而显著增加，其中甲醛的变化最为显著，在5%的添加量下，与不添加糖的对照样品相比，甲醛含量最大增加了25%。乙醛含量和糖施用量之间不存在显著性关系。

外加糖对卷烟主流烟气中小分子醛类成分释放量的影响，目前还没有统一的结论。但近年来的研究大多表明，加糖可能会引起部分醛类成分，尤其是甲醛释放量的升高。

3 水溶性糖对卷烟烟气其它有害成分的影响

黄朝章等[65]研究了单料烟主流烟气中HCN 释放量与其烟叶常规化学成分含量间的相关性，发现主流烟气中HCN 的释放量与烟叶中的总糖、还原糖呈显著负相关，蒯雁等[66]研究也得出类似结论。袁秀秀等[67]分析了烤烟常规化学成分含量对主流烟气7 种有害成分的影响，结果表明随着烟叶糖含量增加，氨和NNK 释放量减少，巴豆醛释放量略有增加，总糖、还原糖含量与巴豆醛释放量呈正相关，与苯酚释放量呈负相关，总糖含量与烟气整体危害性指数之间规律不明显。Cai 等[68]考察了73 种烟叶成分对主流烟气7 种有害成分释放量及危害性指数的影响，结果表明对烟气危害性指数影响最大的烟叶化学成分是钾、苹果酸和生物碱含量，糖含量影响并不显著。

Hahn 等[23]研究结果表明，和对照样品相比，混合烟配方中加入1.5%～5%蔗糖后，主流烟气中1,3-丁二烯含量明显升高，苯并[a]芘含量略有降低，烟草特有氮亚硝胺（TSNAs）含量整体略有降低。Roemer 等[8]对多位研究者的数据汇总分析发现，2-丁酮、异戊二烯、苯、甲苯和苯并[k]荧蒽释放量随加糖量的增加而显著增加，1,3-丁二烯、苯酚、NNK、苯并[a]芘的释放量没有显著变化，N-亚硝基二甲胺、N-硝基鸟嘌呤和4-氨基联苯则随加糖量的增加而显著减少；整体上，随着加糖量的增加，羰基成分产率增加，而含氮成分产率降低。

4 总结和展望

目前关于糖类对卷烟危害性烟气成分的影响的研究，国内主要侧重于烟叶本身水溶性糖和与焦油释放量的相关性，国外更关注外加糖对卷烟焦油和醛类成分释放量的影响。整体来看，内源水溶性糖含量对卷烟焦油释放量的影响较轻微，外加糖对可能对卷烟焦油释放量影响较小，但目前相关研究较少，仍然需要开展更多的研究，尤其以烤烟作为参试烟草材料的研究。水溶性糖对醛类释放量的影响方面仍然存在争议，但近期的研究大多表明，水溶性糖含量对部分醛类，尤其是甲醛释放量存在影响。糖类成分作为烟叶中含量最大的化学成分，以及卷烟制造过程中最重要的添加剂之一，研究其含量对卷烟烟气危害性成分释放量的影响很有必要。通过上文综述，我们认为，关于水溶性糖对卷烟主流烟气醛类成分及其他有害成分释放量的影响还需要进一步深入研究。在研究过程中，要注意糖的最大添加量、卷烟样品选择、检测方法的精确性等细节问题，因为这些细节问题可能都会对该类研究的结论有一定影响。此外，烟气有害成分增加或减少，并不完全等同于对人体危害程度的增加或减少；要完全理解水溶性糖等烟草化学成分或添加剂对人体健康的影响，还需要开展相关的毒理学研究以提供更多的证据。