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(mài)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(guò)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(shí)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(duì)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(jì)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(kāi)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(duì)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(yáng))，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(yáng)、寧鄉(xiāng))，河南(宜陽(yáng)、三門(mén)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(jì)60個(gè)樣品，采用統(tǒng)一輔材進(jìn)行單料煙的卷制。

1.2 檢測(cè)方法

1.2.1 煙氣氫氰酸檢測(cè)

按照YC/T 403—2011 測(cè)定煙樣氫氰酸。

1.2.2 煙葉化學(xué)成分的測(cè)定

氨基酸含量的測(cè)定按照YC/T 282—2009 進(jìn)行； 總氮及煙堿的測(cè)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(cè)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(jì)分析及作圖在R3.1 開(kāi)源軟件平臺(tái)進(jìn)行。采用拉依達(dá)(PauTa)準(zhǔn)則(3σ 準(zhǔn)則)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗整理，對(duì)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(kāi)源軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

對(duì)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(jì)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(duì)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(guò)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(guò)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(jì)描述 Table 1 Statistical description for HCN yields and contents of nitrogen compositions of flue-cured tobacco leaf

表1 (續(xù))

對(duì)氫氰酸與主要含氮化合物及氨基酸總量進(jìn)行簡(jiǎn)單相關(guān)分析，結(jié)果見(jiàn)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(shuō)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(jiǎn)單描繪2個(gè)變量間關(guān)系的疏密程度，并能?chē)?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(duì)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(lái)新開(kāi)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(píng)價(jià)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(gè)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(kāi)源軟件平臺(tái)對(duì)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(jiàn)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(lái)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?，HCN 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(lái)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?？偟煞侄?，從具體含氮化合物單體來(lái)看，煙堿對(duì)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(duì)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(méi)有顯著相關(guān)性，同時(shí)還認(rèn)為對(duì)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(duì)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(lái)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(jì)方法的運(yùn)用等影響，針對(duì)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(duì)卷煙的危害性指數(shù)有著重要的影響。對(duì)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(shí)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(mén)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(shí)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(duì)這些化合物還需要進(jìn)一步跟蹤檢測(cè)。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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